Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 11
1.1. Общие сведения 11
1.2. Анализ влияния основных показателей качества электрической энергии на эффективность компенсации реактивной мощности 15
1.2.1. Несинусоидальность напряжения 16
1.2.2. Отклонение напряжения 19
1.2.3. Несимметрия напряжений 21
1.2.4. Колебания напряжения 22
1.2.5. Отклонение частоты.. 23
1.2.6. Электромагнитные переходные процессы 24
1.3. Анализ влияния КЭ на режимы электропотребления 25
1.4. Анализ отказов функционирования внутренних систем электроснабжения нефтеперерабатывающих предприятий 30
1.4.1. Анализ основных причин отказов в функционировании систем электроснабжения до 1000 В 31
1.4.2. Анализ основных причин отказов в функционировании систем электроснабжения выше 1000 В ...33
2. Экспериментальные исследования 37
2.1. Краткая характеристика объекта экспериментальных исследований 37
2.2. Методические основы экспериментальных исследований 39
2.3. Математическая обработка экспериментальных данных 46
2.4. Результаты измерений коэффициентов искажения синусоидальности кривых тока и напряжения в сетях до 1000 В и статистическая обработка экспериментальных данных 50
2.4.1. Исследование коэффициентов искажения синусоидальности кривой тока и напряжения в узлах электрических нагрузок 0,4 -ь 0,72 кВ 50
2.4.2. Исследование коэффициентов искажения синусоидальности кривых тока и напряжения в узлах электрических нагрузок 0,4 кВ 57
2.5. Результаты измерений коэффициентов искажения синусоидальности кривой тока и напряжения в сетях 6 кВ и статистическая обработка экспери ментальных данных 66
2.6.. Результаты экспериментальных исследований влияния силовых трансформаторов напряжения 6/0,4 кВ на спектральный состав тока и напря жения в сетях до и выше 1000 В 69
3. Анализ эффективности существующей системы компенсации реактивной мощности в сетях 0,4 - 6 кв и разработка системы локализации высших гармонрпс и компенсации реактивной мощности с использованием силовых трансформаторов 76
3.1. Анализ влияния коэффициента искажения синусоидальности кривой тока и напряжения на КПД конденсаторных установок 78
3.2. Анализ аварийности установок по компенсации реактивной мощности в системах электроснабжения 0,4 + б кВ 84
3.2.1. Анализ аварийности высоковольтных КУ 85
3.2.2. Анализ аварийности низковольтных КУ без средств защиты от токов высших гармоник 87
3.3. Анализ эффективности средств защиты от высших гармоник тока и напряжения 91
3.3.1. Анализ эффективности работы пассивных фильтров 91
3.3.2. Анализ эффективности работы активных фильтров 93
3.4. Принципы локализации высших гармоник 95
4. Моделирование системы подавления высших гармоник с использованием силовых трансформаторов в системе электроснабжения 0,4 - 6 кВ 103
4.1. Моделирование системы подавления высших гармоник посредством использования силовых трансформаторов 103
4.2. Обоснование загрузки силовых трансформаторов с учётом влияния высших гармоник 118
5. Результаты опытной эксплуатации системы ком пенсации реактивной мощности и локализации высших гармоник с использованием силовых трансформаторов в системе электроснабжения 0,4 - 6 кв нефтеперерабаты вающих предприятий 124
5.1. Результаты опытной эксплуатации систем Тр - ПЧ - АД, Тр - КУ и Тр-ТП-ЭП 124
5.2. Средства естественной компенсации реактивной мощности в сетях 6 -МОкВ 132
Заключение 140
Библиографический список 142
- Анализ влияния основных показателей качества электрической энергии на эффективность компенсации реактивной мощности
- Методические основы экспериментальных исследований
- Анализ аварийности установок по компенсации реактивной мощности в системах электроснабжения 0,4 + б кВ
- Обоснование загрузки силовых трансформаторов с учётом влияния высших гармоник
Введение к работе
Актуальность работы. Эксплуатация электрооборудования и электрических сетей на нефтеперерабатывающих предприятиях (КПП) связана со следующими особенностями: взрывопожароопасность производства, непрерывность технологического процесса, токсичность выбросов газа и потерь нефтепродуктов, поэтому отказ системы электроснабжения, систем управления, релейной защиты, сигнализации и контроля из-за низкого качества электрической энергии (КЭ) может привести к негативным последствиям. Поэтому эффективность функционирования НЛП в значительной мере определяется надёжностью и экономичностью работы системы электроснабжения. Экономия электрической энергии на предприятиях может быть получена за счёт уменьшения её потребления электроприёмниками и снижения потерь электроэнергии в различных элементах электрической системы.
При передаче электроэнергии от источников питания до приёмников теряется в среднем от 8 до 12% электроэнергии, а остальная часть 88-92% электроэнергии расходуется приёмниками. Экономия даже нескольких процентов электроэнергии на предприятии значительно снижает затраты на оплату электроэнергии, что ведёт к снижению себестоимости выпускаемой продукции.
В настоящее время одним из направлений рационального использования электроэнергии на нефтеперерабатывающих предприятиях является применение преобразователей частоты (ПЧ) и тиристорных преобразователей (ТП), внедрение которых позволяет снизить потребление электроэнергии при эксплуатации электроприводов. Снижение потерь электроэнергии в системе электроснабжения достигается за счёт компенсации реактивной мощности на основе применения низковольтных и высоковольтных конденсаторных установок (КУ).
Использование ПЧ и ТП приводит к появлению высших гармоник (ВГ) тока и напряжения в системе электроснабжения. Это негативно отражается
на эффективности компенсации реактивной мощности, что сопровождается увеличением потерь электроэнергии в самой системе электроснабжения (СЭС) и снижением её пропускной способности.
Поэтому обеспечение КЭ, связанное с ограничением присутствия ВГ в СЭС и повышением эффективности компенсации реактивной мощности является актуальным. Решение поставленной задачи позволит снизить потери электроэнергии и обеспечить устойчивое функционирование систем управления, контроля, сигнализации, релейной защиты и автоматики.
Целью диссертационной работы является повышение эффективности компенсации реактивной мощности и обеспечение качества электрической энергии в распределительных сетях электроснабжения 0,4 -* 6 кВ нефтеперерабатывающих предприятий на основе локализации высших гармоник тока и напряжения.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Проанализировать влияние КЭ на эффективность компенсации реактивной мощности (КРМ) и определить основные источники генерации ВГ в распределительных сетях 0,4 + 6 кВ НПП.
Выполнить экспериментальные исследования для определения основных факторов, влияющих на амплитуду гармоник и спектральный состав тока и напряжения, исследовать способность подавления ВГ силовыми трансформаторами.
На основе современного программного обеспечения выполнить моделирование процесса подавления ВГ силовыми трансформаторами.
Изучить влияние ВГ на коэффициент полезного действия (КПД) КУ и проанализировать их аварийность.
Разработать средства и методы, направленные на снижение негативного воздействия ВГ на КРМ и осуществить их практическую реализацию.
Объект исследований: СЭС, в состав которой входят электродвигатели с ПЧ, электроприёмники с ТП, устройства КРМ, силовые трансформаторы, которые эксплуатируются в распределительных сетях электроснабжения напряжением 0,4 -^- 6 кВ НПП на примере технологических установок ОАО «Ачинский нефтеперерабатывающий завод Восточной нефтяной компании» (ОАО «АНПЗ ВНК»).
Предмет исследований: процессы, связанные с компенсацией реактивной мощности в распределительных сетях НПП при сложном гармоническом составе тока и напряжения.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использовались методы теории электрических цепей и электрических измерений, теории СЭС промышленных предприятий, основы преобразовательной техники, теории электрических машин, численные методы решения уравнений, методы математической статистики и способы численного моделирования.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Получены зависимости коэффициентов искажения синусоидальности кривых тока и напряжения от коэффициента загрузки ПЧ и ТП, позволяющие определить рациональные режимы работы преобразователей с нормально допустимым уровнем генерации ВГ.
Выявлены зависимости КПД КУ от коэффициентов искажения синусоидальности кривых тока и напряжения, позволяющие оценить эффективность существующих КУ, эксплуатируемых в распределительных сетях 0,4 *- 6 кВ НПП.
Установлены зависимости степени подавления ВГ силовыми трансформаторами от их мощности, что позволяет реализовать способ локализации ВГ на отдельных участках СЭС 0,4 -*- 6 кВ на основе силовых трансформаторов мощностью до 1600 кВ\А.
Обоснован способ автоматической КРМ в узле электрической нагрузки
(УЭН) напряжением 6 кВ с помощью низковольтных регулируемых КУ, под
ключенных к УЭН через индивидуальный силовой трансформатор мощно
стью до 1600 кВ'А, позволяющий исключить негативное влияние ВГ на ра
ботоспособность КУ.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
Определены рациональные значения коэффициентов загрузки ПЧ, позволяющие свести до нормально допустимого уровня генерацию ВГ в распределительных сетях 0,4 -*- 6 кВ.
Реализован на практике способ локализации ВГ, основанный на использовании силовых трансформаторов мощностью до 1600 кВ"А, который предполагает перевод системы «преобразователь частоты - асинхронный двигатель» (ПЧ - АД) на индивидуальную систему электроснабжения «Трансформатор - ПЧ - АД».
Разработана и внедрена установка для автоматической КРМ в УЭН - 6 кВ на базе низковольтных регулируемых КУ, которые подключены к сети 6 кВ через индивидуальный силовой трансформатор мощностью до 1600 кВ\А, позволяющая снизить себестоимость производства устройств КРМ в 2,5 раза в сравнении с традиционными высоковольтными регулируемыми КУ.
Усовершенствована методика определения реактивной мощности в системе электроснабжения 6 кВ за счёт учёта естественных средств компенсации, требуемой по условиям обеспечения необходимого значения коэффициента мощности, позволяющая снизить себестоимость создания на предприятии системы КРМ на 25 -*- 35%.
Достоверность полученных результатов подтверждается удовлетворительным совпадением теоретических и экспериментальных результатов исследований и положительным опытом эксплуатации разработанных устройств на ОАО «АНПЗ ВНК».
9 На защиту выносится:
Рациональные режимы работы ПЧ и ТП, обеспечивающие генерацию ВГ, не превышающих нормально допустимые уровни, основанные на зависимостях между коэффициентами искажения синусоидальности кривых тока и напряжения и коэффициентом загрузки преобразователей.
Способ локализации ВГ на отдельных участках СЭС с использованием силовых трансформаторов мощностью до 1600 кВ'А, основанный на выявленном свойстве силовых трансформаторов к подавлению ВГ.
Способ автоматической КРМ в УЭН - 6 кВ с помощью низковольтных регулируемых КУ, которые подключены через индивидуальный трансформатор мощностью до 1600 кВ'А с датчиком регулятора мощности, установленным в сети 6 кВ.
Усовершенствованный метод выбора требуемой реактивной мощности для компенсации в СЭС напряжением 6 кВ за счёт учёта естественных средств компенсации.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на международных, всероссийских, межрегиональных и региональных конференциях: Международная научно-практическая конференция «Интеграция», г. Киев, 2005; Международная научно-практическая конференция «РусНаука», г. Москва, 2005; Международная научно-практическая конференция «Российская академия естествознания», г. Москва, 2005; I Международная научно - практическая конференция ИНТЕХМЕТ - 2008, г. Санкт — Петербург, 2008; Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Совершенствование методов поиска и разведки, технологии добычи и переработки полезных ископаемых», г. Красноярск, 2003; Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Перспективные материалы: получение и технологии обработки», г. Красноярск, 2004; Всероссийская научно-техническая конференция, г. Камышин, 2005; Всероссийская VIII научно -
10 практическая конференция "Энергоэффективность системы жизнеобеспечения города", г. Красноярск, 2007; Всероссийская X научно - практическая конференция "Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города", г. Красноярск, 2009; Межрегиональная научно-практическая конференция молодых специалистов НК ЮКОС, г. Москва, 2003; Межрегиональная научно-практическая конференция, г. Новокузнецк, 2004; Региональная межвузовская научно-практическая конференция, г. Ачинск, 2006. Реализация полученных результатов:
реализован на практике способ локализации ВГ в системе электроснабжения 0,4 -т- 6 кВ технологических установок ОАО «АНПЗ ВНК» посредством перевода отдельных и групповых систем «ПЧ - АД» на систему «Тр -ПЧ-АД»;
разработана установка для автоматической КРМ в УЭН - 6 кВ с использованием силовых трансформаторов мощностью до 1600 кВ'А и низковольтных регулируемых КУ принята к производству на ОАО «КВАР» г. Серпухов;
результаты работы используются в учебном процессе при подготовке специалистов по электротехническим специальностям в Институте горного дела, геологии и геотехнологии Сибирского федерального университета.
Публикации. Основные результаты исследований по данной теме опубликованы в 16 печатных работах, из которых одна работа в издании по перечню ВАК, 2 работы в периодических изданиях, 13 работ по результатам международных, всероссийских, межрегиональных и региональных конференций.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, библиографического списка из 98 наименований и 4 приложений. Основной текст диссертационной работы изложен на 150 страницах, проиллюстрирован 45 рисунками и 11 таблицами, приложения представлены на 68 страницах таблицами и актами об использовании результатов диссертационной работы.
Анализ влияния основных показателей качества электрической энергии на эффективность компенсации реактивной мощности
Появление в системе электроснабжения гармоник, отличных по частоте от основной, приводит к деформации синусоиды напряжения, действующей на зажимах нагрузки [4]. Синусоида напряжения становится «плоской», т.к. в момент импульса тока увеличивается падение напряжения на сопротивлении сети: где: и НАГР (0 - деформированная синусоида напряжения на зажимах нагрузки; и (і) — синусоидальное напряжение питающей сети; S и (i(t)) - динамическое падение напряжения, обусловленное мгновенным изменением тока i(t). Если предположить, что сопротивление сети относительно зажимов каждого отдельного электропотребителя равно нулю, то искажения синусоидальности напряжения не возникает. Реальная сеть для любого электропотребителя представляет собой некое сопротивление. Несинусоидальные токи, протекая по этому сопротивлению, вызывают падение напряжения на нем. В результате на зажимах потребителя с нелинейной вольт-амперной характеристикой, а также на зажимах всех остальных электропотребителей, включенных параллельно ему, появляется несинусоидальное напряжение, обычно -"плоская" синусоида, которая, воздействуя на источник питания, снижает уровень выпрямленного напряжения, увеличивает тепловыделение на элементах импульсного источника питания, снижает устойчивость к кратковременным провалам напряжения [23]. Электроприёмники с нелинейной вольт-амперной характеристикой потребляют ток, форма кривой которого отличается от синусоидальной [29]. Протекание такого тока по элементам электрической сети создаёт на них падение напряжения, отличное от синусоидального, что и является причиной искажения синусоидальной формы кривой напряжения. Например, полупроводниковые ПЧ потребляют ток трапециевидной формы, то есть выхватывают из синусоиды кусочки прямоугольной формы. Источниками несинусои дальности напряжения являются: статические преобразователи, трансформаторы, синхронные электродвигатели, сварочные установки, газоразрядные осветительные и бытовые приборы и так далее. В таблице 1.1 приведены значения Кц (суммарного коэффициента гармонических искажений) синусоидальности кривой напряжения. и Согласно проведённому анализу по результатам исследований [22], на рисунке 1.1 представлена сравнительная характеристика источников искажения синусоидальности в сетях электроснабжения промышленных предприятий. Применительно к предприятиям нефтеперерабатывающей отрасли диаграмма распределения источников искажения синусоидальности примет вид, представленный на рисунке 1.2. Основными источниками искажения синусоидальности напряжения в системах электроснабжения нефтеперерабатывающих предприятий являются преобразователи частоты, электронная техника, полупроводниковые выпрямители и тиристорные преобразователи. Рассмотрим более детально влияние несинусоидальности напряжения на работоспособность конденсаторных батарей: в условиях несинусоидальности тока ухудшаются условия работы батарей конденсаторов, которые предназначены для КРМ нагрузки, т.е. для повышения коэффициента мощности электроустановки; батареи конденсаторов изменяют путь гармоник тока от нелинейного потребителя к источнику питания, замыкая часть этого тока через себя. Так как сопротивления элементов сети имеют индуктивно-ёмкостной характер, то при применении установок компенсации реактивной мощности и наличии нелинейных электропотребителей имеет место появление резонансных явлений на отдельных элементах системы электроснабжения, что приводит к возникновению гармоник тока и напряжения, значительно превышающих те, которые имели бы место при отсутствии резонанса. Кроме того, в конденсаторах потери энергии пропорциональны частоте: где: U— напряжение сети, В; со — угловая частота, рад/с; С - ёмкость конденсаторов, Ф; tgS- тангенс угла диэлектрических потерь. Поэтому несинусоидальный ток приводит к их дополнительному нагреву. Несинусоидальное напряжение, приложенное к устройствам компенсации, вызывает протекание несинусоидального тока по конденсаторным батареям, что снижает реактивную мощность компенсации по основной гармонике, так как для данного режима работы справедлива следующая формула: где: I], It - ток основной гармоники и гармоники, отличной от основной, А; Хсь Ха — ёмкостное сопротивление конденсаторной батареи для первой гармоники и для гармоники, отличной от основной, Ом. Кроме этого, в условиях несинусоидальности питающего напряжения батареи конденсаторов одновременно являются элементами, абсорбирующими гармоники со всей сети, так как сопротивление конденсатора обратно пропорционально частоте: T&Q .fo - основная частота, Гц; к - порядок гармоники; С - ёмкость конденсатора, Ф. Таким образом, несинусоидальность питающего напряжения вызывает протекание токов высших гармоник через конденсаторные батареи, что увеличивает их нагрев и снижает мощность компенсации, поэтому надёжность и эффективность системы компенсации реактивной мощности падает.
Методические основы экспериментальных исследований
Материалы, представленные в первой главе данной диссертационной работы показали, что ВГ тока и напряжения негативно влияют на компенсацию реактивной мощности, а, следовательно, и на режим электропотребления, основным из показателей которого является cosq . Известно [23], что гармонический состав тока и напряжения зависит от большого числа факторов: типа, мощности электрооборудования (преобразователи частоты, электродвигатели, трансформаторы и т.д.) и степени его загрузки, от режима работы электрооборудования (длительный, кратковременный, повторно-кратковременный), от конфигурации сети, её параметров и т.д. Многие из этих факторов носят случайный характер и действуют в различных сочетаниях. При аналитических исследованиях учёт всех факторов, проявляющихся при эксплуатации оборудования разного типа, не представляется возможным. Поэтому экспериментальные исследования являются основной базой для дальнейших теоретических исследований, направленных на совершенствование методов и средств компенсации реактивной мощности с учётом влияния ВГ.
Следовательно, для успешного выполнения экспериментальных задач измерительная аппаратура должна удовлетворять следующим требования: фиксировать ВГ тока и напряжения, их величину, процентное отношение к основной гармонике, а так же значения коэффициентов искажения синусоидальности кривых напряжения и тока; определять среднеквадратичные значения токов и напряжений; измерять активную, реактивную и полную мощность; определять коэффициент мощности системы; при необходимости фиксировать провалы напряжения, отклонения частоты и значения кратковременных перенапряжений; конструкция аппаратуры должна обеспечивать безопасность измерений, быть малогабаритной и транспортабельной, а так же иметь независимый источник питания; иметь встроенную память, обеспечивать визуальный анализ измеряемых параметров и возможность совместной работы с персональными вычислительными машинами (ноутбук); производить измерения в кратковременном и длительном промежутках времени. Наиболее значимым критерием отбора измерительной аппаратуры является погрешность измерения амплитуды отдельных гармоник. Известно [5], что типовые измерительные трансформаторы тока (ТТ), которые используются в схемах релейной защиты и в схемах измерения основных параметров электрических величин (ток, напряжение, мощность) на более высоких частотах, отличных от основной, могут снижать амплитудные значения отдельных гармоник. Это связано с тем, что ростом частоты тока изменяется процесс перемагничивания магнитопровода ТТ, которое осуще ствляется не по основной петле гистерезиса, а по частным циклам, что приводит к снижению ЭДС во вторичной обмотке ТТ. В тоже время, увеличение частоты тока вызывает рост индуктивного сопротивления вторичной обмотки ТТ.
Одновременное действие двух указанных факторов приводит к значительному снижению амплитуды ВГ и, как следствие, к росту погрешности при измерениях. Для уменьшения погрешности при измерениях ВГ необходимо использовать поправочные коэффициенты для каждой отдельной гармоники, либо использовать специальные приборы с собственными трансформаторами тока. Использование приборов с собственными трансформаторами тока позволяет учесть погрешность при измерениях отдельных гармоник с помощью схемных решений, используемых в приборе. Вышеуказанным требованиям отвечают не все приборы, предназначенные для измерений показателей КЭ. При измерении тока и его высших гармоник с помощью измерителя несимметрии цифрового типа 43204, анализатора гармоник электрической сети типа 43250, измерителя тока и отклонения напряжения типа 43203, анализатора качества электроэнергии «1Д1КЭ-1-50М» используются серийные измерительные ТТ, что заставляет применять поправочные коэффициенты или специальные графики для оценки величины амплитудных значений отдельных гармоник. Данное обстоятельство увеличивает продолжительность экспериментальных исследований и усложняет анализ полученных данных. В комплект анализатора ПКЭ - эталонного счётчика «Энергомонитор 3.3» и прибора комплексного контроля ПКК — 57 входят специальные тороидальные трансформаторы тока, предназначенные для измерения мощности, а также гармоник тока и позволяющие обеспечить относительную погрешность коэффициента преобразования в пределах ±2%. Данные приборы имеют следующие основные измерительные возможности и особенности: режим анализатора: обнаружение аномалий напряжения от 10 мс и гармонических искажений (до 49-й гармоники) по току и напряжению; режим регистратора: запись текущих значений контролируемых параметров (напряжение, ток, все виды мощности и энергии, реактивность нагрузки - coscp); параметры окружающей среды в режиме дополнительных функций (температура, влажность, освещенность); тестирование параметров электробезопасности: целостность цепи; сопротивление изоляции; действие УЗО избирательного и общего типа; петля между фазами, с "нулевым" проводом и с заземлением; сопротивление заземления; проводимость грунта; правильность подключения и чередования фаз; одновременная регистрация среднеквадратичных значений напряжения и тока, соответствующих им гармоник, провалов напряжения, отклонения частоты, кратковременного перенапряжения и др.; все измеряемые параметры заносятся в память и отображаются на дисплее. Прибор «Энергомонитор 3.3» требует внешнего источника питания, а прибор ПКК - 57 имеет собственный источник питания, поэтому наиболее удобным к применению является многофункциональный прибор комплексного контроля ПКК - 57 в комплекте с преобразователем тока НТ98. При работе данным прибором в сетях до 1000 В в режиме АНАЛИЗАТОР при измерении действующих значений напряжения, тока, мощности и провалов напряжения относительная погрешность соответственно не превышает 1%.
Анализ аварийности установок по компенсации реактивной мощности в системах электроснабжения 0,4 + б кВ
При анализе аварийности КУ системы электроснабжения были разбиты на три группы. К первой группе отнесены системы электроснабжения, в которых практически отсутствуют ВГ. В данную группу входят системы электроснабжения, в которых эксплуатируются электроустановки с нерегулируемым приводом на базе асинхронных электродвигателей (электропривод калориферных установок, вентиляции, насосных агрегатов малой и средней мощности), а также отсутствует нелинейная нагрузка (освещение реализовано на лампах накаливания, отсутствуют сети электроснабжения компьютерной техники и т.п.). Ко второй группе отнесены системы электроснабжения, в которых наличие ВГ по напряжению не превышает требования ГОСТ 13109-97, а значения коэффициентов несинусоидальности по току отдельных гармоник К[ не превышает 10% от допустимых значений в соответствии с требованиями к электромагнитной совместимости [17]. К третьей группе отнесены системы электроснабжения, в которых значения коэффициента искажения синусоидальности кривой тока К[ находится в диапазоне от 10% до 50% от допустимых значений по требованиям к ЭМС. При анализе аварийности работы КУ данные устройства были поделены на две группы: высоковольтные и низковольтные, которые в свою очередь разделены на установки без средств защиты от ВГ тока и на установки со средствами защиты.
Основными причинами выхода из строя КУ являются механические и термические разрушения конденсаторов, электрический пробой изоляции и физический износ коммутационных аппаратов, связанный с продолжительным сроком эксплуатации оборудования. Для компенсации реактивной мощности в системах электроснабжения 6 -5- 10 кВ в основном используют нерегулируемые КУ. Анализ аварийности нерегулируемых высоковольтных КУ выполнен применительно к сетям 6 кВ, в которых эксплуатируются следующие типы КУ: КЭК — 1 - 6,3 и КЭК -2 - 6,3; КС - 2 - 6,3; УКЛ 56 - 6,3 и УКЛ 57 - 6,3. Анализ аварийности высоковольтных КУ показывает, что отсутствие в системе электроснабжения 6 + 10 кВ ВГ тока и напряжения позволяет безаварийно эксплуатировать около 80 % КУ. Основной причиной аварийности КУ данных систем электроснабжения является электрический пробой изоляции конденсаторов или кабельных линий, связывающих КУ с УЭН. На долю электрических пробоев приходится около 16 % аварийности КУ. На рисунке 3.3 приведена динамика аварийности работы высоковольтных КУ в зависимости от группы системы электроснабжения. Опыт эксплуатации КУ показывает, что электрический пробой изоляции КУ или кабельной линии, как правило, наблюдается в режиме длительного однофазного замыкания на землю (ОЗЗ). В режиме ОЗЗ выходят из строя около 12 % КУ, и лишь в 4 % случаев пробой изоляции наблюдается в рабочем режиме. На термическое и механическое разрушение соответственно приходится 3 % и 1 % аварийности КУ. Следует отметить, что термическое разрушение КУ наблюдается при частой коммутации за счёт протекания зарядных токов конденсаторных батарей [32]. Присутствие ВГ напряжения, не превышающих значений ГОСТ 13109-97 и гармоник тока, величина которых не более 10 % от основной гармоники, приводит к росту аварийности КУ в 2 раза за счёт термического разрушения. Выход из строя КУ за счёт электрических пробоев изоляции остаётся практически на прежнем уровне и не превышает 15 %. В подобных условиях эксплуатации безаварийность КУ составляет 58 %. Превышение значений гармоник напряжения, предусмотренных требованиями ГОСТ 13109-97, и значений гармоник тока более чем на 10 % приводит к резкому росту выхода из строя КУ за счёт термических разрушений. На долю термических разрушений приходится около 72 % аварий КУ. Аварийность КУ, вызванная пробоем изоляции, остаётся практически на прежнем уровне и не превышает 14 %. Принимая во внимание тенденцию внедрения ПЧ в сетях 6 - 10 кВ, которое сопровождается существенным ростом гармоник тока и напряжения, можно сделать вывод, что использование высоковольтных КУ в подобных условиях будет неэффективной за счёт высокой аварийности, связанной с термическим разрушением.
Обоснование загрузки силовых трансформаторов с учётом влияния высших гармоник
Из графика на рисунке 4.7 видно, что гармоники тока от одиннадцатой и выше не вызывают серьёзного изменения магнитной индукции. С учётом выражения (4.25), значение активной мощности і - гармоники, которая будет расходоваться на нагрев сердечника трансформатора, можно представить в следующем виде: - номер і - гармоники; Ра — потери холостого хода трансформатора на частоте 50 Гц (паспортное значение), которые также можно представить в следующем виде: где: с - табличное значение, отражающее процентное значение Ра от номинальной мощности трансформатора; SH0M — номинальная мощность трансформатора, кВА. Очевидно, что трансформация ВГ не будет осуществляться, если будет соблюдаться условие: где: Si— л/з її Ui— полная мощность / - гармоники, кВА. Если значение S{ представить в виде: где: Sj = SH0M Pi, при этом /?/ - коэффициент загрузки трансформатора по основной гармонике. Тогда выражение (4.29) примет следующий вид: Равенство (4.28) примет вид: Из соотношения (4.31) можно найти максимальную загрузку трансформатора по основной гармонике с учётом подавления одной гармоники, отличной от основной: электроснабжения широкого спектра гармоник коэффициент загрузки трансформатора определяется по выражению: Измерения высших гармоник в системах электроснабжения 0,4 -ь- 6 кВ на нефтеперерабатывающих предприятиях показали, что максимальное сочетание коэффициентов искажений синусоидальности кривой тока и напряжения в спектре электрического сигнала состоит из набора 3-й, 5-й, 7-й, 11-й, 13-й, 17-й и 19-й гармоник, а значение каждой из этих гармоники соответствует следующей величине: Kui = 0,25; 0,15; 0,1; 0,08; 0,05; 0,02; 0,01 Кп = 0,6; 0,3; 0,2; 0,15; 0,1; 0,08; 0,05 На рисунке 4.8 приведены зависимости/? = f (ST), рассчитанные по формуле (4.33). Изменение коэффициента загрузки силового трансформатора с учётом локализации высших гармоник в зависимости от мощности и типа Тр Следует отметить, что реальное значение мощности силового трансформатора необходимо выбирать с учётом коэффициента загрузки электродвигателей и преобразователей частоты по нижеприведённой методике: 1. Первое приближённое значение мощности силового трансформатора выбирается из соотношения: 2. По графику, представленному на рисунке 4.8, определяется коэффициент загрузки 3. 3. С учётом коэффициентов загрузки электродвигателя Кзд и преобразователя частоты Кзпч определяется расчётное значение мощности силового трансформатора по следующей формуле: 4. По полученной расчётной мощности принимается ближайшее стан дартное значение мощности трансформатора. В таблице 4.5 приведены три примера выбора мощности силовых трансформаторов для эксплуатации системы ПЧ - АД на насосе Н-41 подачи нефтепродуктов наливной станции; для электропривода компрессора 200 С-1 подачи водородсодержащего газа на установке «Изомеризация»; для подключения системы тиристорный преобразователь - пароперегреватель 200 Н-1 на блоке пеникскрекинг установки «Изомеризация».
