Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обострение проблемы эффективности систем электроснабжения объектов, подвергающихся - воздействию электромагнитных помех 11
1.1. Концепция усиления влияния кондуктивных электромагнитных помех в электрических сетях 11
1.2. Содержание проблемы. Обоснование цели и постановка задач исследования 24
1.3. Основной аспект системного анализа электрических сетей при решении научных задач исследования 35
ГЛАВА 2. Кондуктивные электромагнитные помехи по коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения в электрических сетях 41
2.1. Алгоритм определения кондуктивных электромагнитных помех по коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения 41
2.2. Кондуктивные электромагнитные помехи по коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения в региональной электрической сети 35 кВ Экибастузского угольного бассейна 44
2.3. Кондуктивные электромагнитные помехи по коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения в региональных электрических сетях 110 кВ и 220 кВ Зыряновского промышленного центра 56
2.3.1. Электрическая сеть напряжением ПО кВ 56
2.3.2. Электрическая сеть напряжением 220 кВ 60
2.4. Кондуктивные электромагнитные помехи по искажению синусоидальности кривой напряжения в системе электроснабжения 10 кВ насосной станции цинкового производства ОАО «Казцинк» 62
2.5. Выводы 65
ГЛАВА 3. Гармоническое воздействие на ток замыкания на землю в электрической сети 10 кВ 67
3.1. Методы исследования 67
3.2. Математическая модель к-ой гармонической составляющей тока замыкания на землю 75
3.3. Выбор электрической сети 10 кВ для проведения эксперимента 81
3.3.1. Требование активного эксперимента к электрической сети 10 кВ 81
3.3.2. Ретроспективный анализ влияния несинусоидальности напряжения 10 кВ на ток замыкания на землю 82
3.4. Математическая модель влияния коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения на ток замыкания на землю в электрической сети 10 кВ 96
3.5. Выводы 101
ГЛАВА 4. Синтез эффективной системы электроснабжения объекта, электрические сети 10 кв которого подвергаются воздействию кондуктивнои электромагнитной помехе по току замыкания на землю 103
4.1. Кондуктивные электромагнитные помехи по току замыкания на землю в электрической сети 10 кВ 103
4.2. Исследование кондуктивных электромагнитных помех по току замыкания на землю в электрических сетях 10 кВ удаленных от промышленных центров объектов, подверженных гармоническому воздействию 112
4.3. Рекомендация по обеспечению нормального режима работы по току замыкания на землю электрической сети 10 кВ как рецептора при гармоническом воздействии в пределах требований ГОСТ 13109-97... 118
4.4. Выбор параметров и структуры эффективной системы электроснабжения удаленного от промышленных центров объекта, электрические сети 10 кВ которого подвергаются гармоническому воздействию 120
4.5. Выводы 126
Заключение 128
Библиографический список использованной литературы 130
Приложения 143
- Основной аспект системного анализа электрических сетей при решении научных задач исследования
- Кондуктивные электромагнитные помехи по коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения в региональной электрической сети 35 кВ Экибастузского угольного бассейна
- Математическая модель к-ой гармонической составляющей тока замыкания на землю
- Исследование кондуктивных электромагнитных помех по току замыкания на землю в электрических сетях 10 кВ удаленных от промышленных центров объектов, подверженных гармоническому воздействию
Введение к работе
Электромагнитная совместимость (ЭМС) линий электропередачи различного напряжения с техническими средствами, в том числе и между собой, представляет глобальную проблему в электроэнергетике. Об этом свидетельствует встреча министров энергетики восьми ведущих промышленно развитых стран (страны «Группы восьми»), которая состоялась 3.05.2002 г. в США (г.Детройт, штат Мичиган). Рассматривались вопросы качества электроэнергетики и роли распределительных систем производства электроэнергии. Министры рекомендовали объединить усилия по решению проблем электроэнергетики.
В Международной электротехнической комиссии (МЭК) существует Технический кабинет № 77 «Электромагнитная совместимость электрооборудования, присоединенного к общей электрической сети» и комиссия CIS PR. В связи с интеграцией Европейских стран имеется еще Европейский (региональный) комитет GENELEC. Внутри этого комитета вопросами ЭМС занимается технический комитет № ПО. В международной конференции по большим электрическим системам (СИГРЭ) создана рабочая группа 5 «Несимметрия, несинусоидальность и колебания напряжения» исследовательского комитета № 36 «Влияния».
Проблема ЭМС технических средств в отдельных регионах стран СНГ в настоящее время обострилась по объективной причине из-за спада промышленного производства, который вызвал уменьшение суммарного готового потребления электроэнергии. Так, в Республике Казахстан загрузка электростанций снизилась до 53% от установленной генерирующей мощности. Из-за этого произошло уменьшение интегрального показателя электроэнергетических систем - мощности трехфазного короткого замыкания. Например, в электрических сетях 35 кВ и ПО кВ Павлодарского прииртышья ток короткого замыкания уменьшился на (35^-40)%.
6Снижение генерирующих мощностей в региональных электроэнергетических системах ухудшило электромагнитную обстановку (ОМО) в электрических сетях 10 кВ, 35 кВ, 110 кВ и 220 кВ. Возросло влияние на электрические сети несимметричных и нелинейных нагрузок электрифицированного железнодорожного транспорта, крупных промышленных центров, которые имеют работающие мощные электрометаллургические производства. Усилилось гармоническое воздействие на электрические сети 10 кВ удаленных объектов из-за появления кондуктивных электромагнитных помех (ЭСП) по коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения. Искажение формы кривой напряжения 10 кВ в питающей сети вызывает: нарушение нормальной работы релейной защиты и автоматики; интенсивное старение изоляции электроустановок и кабельных сетей; уменьшение коэффициента мощности из-за отказов конденсаторов, применяемых для компенсации реактивной мощности, увеличение потерь электрической энергии; увеличение тока замыкания на землю и снижения надежности работы этих сетей, обусловленное увеличением случаев однофазных замыканий на землю и переходом их в 2-х и 3-х фазные короткие замыкания.
Из перечисленных негативных последствий гармонического воздействия на электрическую сеть 10 кВ как рецептор наиболее разрушительным и коварным является воздействие на ток замыкания на землю. Поэтому тема диссертации является актуальной.
Связь темы диссертации с общенаучными (государственными) программами и планом работы академии.
Работа выполнялась в соответствии: с научными направлениями технического комитета № 77 МЭК, рабочей группы № 5 СИГРЭ; с «Комплексной программой научно-технического обеспечения предприятий Павлодарской области на 1996-1998 г. и далее», утвержденной Президиумом HAH РК, № 39 от 29.11.1995 г.; с научной целевой комплексной темой
7 «Разработка мероприятий по повышению надежности работы оборудования в условиях пониженных температур» Новосибирской государственной академии водного транспорта (гос. Регистр. № 0188.0004137).
Целью работы является разработка научных положений и рекомендаций, обуславливающих снижение влияния гармонического воздействия на электрическую сеть 10 кВ с изолированной нейтралью как рецептор и позволяющих совместно с известными методами обеспечить эффективное электроснабжение удаленных от технических и экономически развитых центров объектов речного транспорта и других отраслей промышленности и транспорта.
Для достижения цели в работе решены следующие научных задачи: разработка алгоритма определения кондуктивной ЭМП по коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения в электрической сети; - экспериментальные исследования кондуктивных ЭМП по коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения в региональных электрических сетях 35 кВ, ПО кВ и 220 кВ и в электрических сетях 10 кВ удаленных объектов; - разработка методики определения кондуктивной ЭМП по току замыкания на землю в электрической сети с изолированной нейтралью; - разработка рекомендаций по обеспечению нормального режима работы по току замыкания на землю электрической сети 10 кВ с изолированной нейтралью как рецептора при гармоническом воздействии в пределах требований ГОСТ 13109-97.
Идея работы заключается в выражении гармонического воздействия на электрическую сеть 10 кВ с изолированной нейтралью через кондуктивные ЭМП по коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения и по току замыкания на землю, установлении связи между ними, воздействуя на которые можно повысить помехоустойчивость этой сети как рецептора.
Методы исследования. В ходе работы над диссертацией использовались методы теоретических основ электротехники и теории электрических сетей, методы математической статистики теории вероятностей, метод аналитических исследований (гармонический анализ), методы декомпозиции и агрегирования системного анализа. Результаты экспериментальных исследований обрабатывались на ЭВМ с помощью методов теории ошибок. Были проанализированы сведения из литературных источников, необходимые для решения задачи, выполняемой в процессе исследований.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: отбором значимых процессов; принятыми уровнями допущений при математическом описании явлений; обоснованностью исходных посылок, вытекающих из фундаментальных законов естественных наук и основ теории электрических цепей; удовлетворительным совпадением качественных характеристик результатов теоретических исследований с результатами экспериментов, выполненных в реальных сетях, достаточным объемом и результатами экспериментальных исследований.
Научная новизна работы заключается в развитии теоретических основ ЭМС технических средств. В рамках решаемых автором задач она характеризуется следующими достижениями;
Новый алгоритм определения кондуктивной ЭМП по коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения в электрической сети.
Новая методика определения кондуктивной ЭМП по току замыкания на землю в электрической сети 10 кВ с изолированной нейтралью.
Рекомендация по обеспечению нормального режима работы по току замыкания на землю электрической сети 10 кВ с изолированной нейтралью как рецептора при гармоническом воздействии в пределах требований ГОСТ 13109-97.
Решение оптимизационной задачи по выбору параметров и структуры системы электроснабжения удаленного от промышленных центров объекта,
9 электрические сети 10 кВ которого подвергаются воздействия кондуктивной ЭМП по току замыкания на землю.
Практическая ценность работы. Применение полученных теоретических положений позволяет: обеспечить нормальный режим работы по току замыкания на землю в действующей электрической сети 10 кВ с изолированной нейтралью, подверженной гармоническому воздействию; осуществить синтез эффективной системы электроснабжения на напряжении 10 кВ удаленного от промышленных центров объекта, подверженной гармоническому воздействию.
Реализация работы. Разработанные научные положения используются в ЗАО КазНИПИИТЭС «Энергия» и внедрены на канале «Иртыш-Караганда» -Республиканского государственного предприятия «Канал им. Каныша Сатпаева» (Республика Казахстан). Годовой экономический эффект составляет более 350 тыс. рублей Российской Федерации (1700 тыс. тенге Республики Казахстан). Социальный эффект от внедрения результатов работы заключается в повышении надежности электроснабжения объектов, удаленных от промышленных центров.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены : - на международной научно-технической конференции «Передача энергии переменным током на дальние и сверхдальние расстояния» (15-19 сент., 2003, Новосибирск, Россия); - на республиканском научно-техническом семинаре «Электромагнитная совместимость технических средств в электрических сетях» (23-24 окт., 2003, Павлодар, Казахстан); на второй международной научно-технической конференции «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт» (8-11 сент., 2004, Тобольск, Россия); - на научной конференции молодых ученых, студентов и школьников «IIIСатпаевские чтения» (14-17 апр., 2003, Павлодар, Казахстан). - на научно-технических семинарах в Новосибирской государственной академии водного транспорта (2002-2004 г.).
На защиту выносятся: математические модели алгоритма определения кондуктивных ЭМП по коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения в электрических сетях; математические модели методики определения кондуктивной ЭМП по току замыкания на землю в электрической сети 10 кВ с изолированной нейтралью; рекомендация по обеспечению нормального режима работы по току замыкания на землю электрической сети 10 кВ с изолированной нейтралью как рецептора при гармоническом воздействии в пределах требований ГОСТ 13109-97; - методика выбора схемы эффективной системы электроснабжения удаленного от промышленных центров объекта, электрические сети 10 кВ которого подвергаются воздействию кондуктивной ЭМП по току замыкания на землю.
Публикации. Содержание работы опубликовано в 14 научно-технических статьях. Вклад соискателя в опубликованные научные разработки, принадлежащие соавторам, приведен в приложении.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка используемой литературы и приложения. Изложена на 145 страницах машинописного текста, содержит 36 рисунков, 6 таблиц, список используемой литературы из 130 наименований.
Основной аспект системного анализа электрических сетей при решении научных задач исследования
Классический подход к исследованию основывается на том, что свойства целого (системы) определяются главным образом свойствами составляющих его элементов (подсистем). Системный же подход основывается на другой парадигме. Система не детерминируется однозначно совокупностью элементов и не сводится к ним, а, наоборот, элементы детерминируются целым комплексом, в рамках которого они и получают свое функциональное назначение; при этом у системы в целом появляются новые свойства, отсутствующие у ее элементов [51, 53, 55, 57-59]. Системный анализ применительно к ЭМС электрических сетей предполагает: - установление границ исследуемой системы заданного назначения как целого, т.е. выделение из окружающей ее среды; - определение целей системы, критериев качества ее функционирования и методов их расчета; - декомпозиция системы на составные части (подсистемы), которые на более низком уровне иерархии рассматриваются как подсистемы; - исследование системы (подсистемы) во всех требуемых целевым назначением аспектах с учетом всех значимых связей как между частями одного уровня, так и между различными уровнями. В системных исследованиях электроэнергетических систем введены понятия простой, сложной и большой системы [57, 59]. Простой называют систему по уровню ее элементарных компонентов (элементов), которые могут быть точно количественно соизмеримы. При этом свойства простой системы достаточно полно характеризуются на основе свойств элементов, образующих систему. Под сложной системой понимают систему, в которой ее составляющие компоненты (элементы) сами являются системами (подсистемами) со всей характерной сущностью системы (в первую очередь определяемой понятием целостности). Большими называют сложные иерархически построенные (многоуровневые) человеко-машинные системы, в которых пространственный (географический) фактор имеет существенное значение. Кратко сущность этой системы можно охарактеризовать как реальную, иерархически построенную, открытую и целенаправленно развивающуюся систему; это развитие осуществляется органами управления, располагающими неполной информацией о системе [57].
Применительно к сформулированным научным задачам исследования в условиях Казахстана, на предприятиях которого проводились экспериментальные исследования, на рис. 1.9 показана четырехуровневая иерархия большой системы. В пояснении к этому рисунку необходимо указать следующее: под регионом понимается часть территории, разделенная на два-три узла с общими характерными признаками электропотребления, под узлом понимается дальнейшее территориальное разделение региона по принципу концентрации производства и потребления электрической энергии в промышленном центре [57].
Большая система состоит из национальных электрических сетей, региональных электрических сетей и систем электроснабжения общего назначения промышленных центров (структура 1 на рис. 1.9). Составляющие этой системы электрические сети являются подсистемами с характерными признаками сложной системы.
Сложная система образуется из региональных электрических сетей, систем электроснабжения общего назначения промышленных центров и системы электроснабжения рассматриваемого производства (структура 2 на рис. 1.9). Простые системы состоят из систем электроснабжения общего назначения промышленных центров (структура 3 на рис. 1.9). Одна из них — система электроснабжения общего назначения Экибастузского угольного бассейна (рис. 1.10) выбрана для экспериментальных исследований кондуктивных ЭМП в региональных электрических сетях, на основании которых разработаны алгоритмы расчетов кондуктивных ЭМП. Эта система электроснабжения соответствует указанным требованиям системного анализа. Системы электроснабжения самостоятельных потребителей электроэнергии, сети 10 кВ которых подвержены гармоническому воздействию, являются подсистемами (структура 4 нарис. 1.9). Выбор электрической сети 10 кВ для проведения экспериментальных исследований гармонического воздействия на ток замыкания фазы на землю обоснован в третьей главе диссертации. На рис. 1.9 пунктирными линиями показаны причинные связи, обусловленные кондуктивными ЭМП, в Единой электроэнергетической системе Казахстана [6], которая настолько сложна, что нельзя одновременно количественно точно соизмерить все ее электрические характеристики. Поэтому для исследования этой системы необходимо пользоваться эквивалентированием [57]. В содержательном аспекте [57-59] получили наибольшее распространение два вида эквивалентирования - декомпозиция и агрегирование. Их главная задача - создание наиболее представительной по объему и характеру описания процессов исходной модели системы (математической, физической). Под декомпозицией понимается расчленение общей задачи описания сложной системы на подзадачи, их независимое решение и последующая увязка получаемых результатов. Цель агрегирования по существу сводится к сокращению объема задачи путем исключения из ее рассмотрения несущественной или малосущественной информации (связей системы). Поэтому основной алгоритм агрегированных преобразований заключается в наибольшем сокращении объема составляющих исходной модели; другой возможный алгоритм - замена на более удобные для расчета переменные или элементы; иногда оба эти алгоритма объединяются.
Кондуктивные электромагнитные помехи по коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения в региональной электрической сети 35 кВ Экибастузского угольного бассейна
В пятых, фазное напряжение Тіф в электрической сети 10 кВ подвергается воздействию кондуктивных ЭМП по установившемуся отклонению напряжения, которые устраняются регулированием напряжения в сети. Поэтому эти кондуктивные ЭМП можно отнести к шумам или возмущениям, которые устраняются во время опытов. Таким образом обеспечивается IK = (1,00 ± 0,05)UA и и ее также исключаем из влияющих факторов [60].
В шестых, несимметрия напряжения в электрической сети 10 кВ, которая характеризуется коэффициентом несимметрии напряжений по обратной последовательности, обуславливает появление кондуктивных ЭМП по обратной последовательности. Эти кондуктивные ЭМП устраняются выравниванием электрической нагрузки по фазам, поэтому они также отнесены к шумам, которые устраняются применением обычных методов стабилизации условий эксперимента и защиты объекта от воздействия помех [60].
В седьмых, изоляция электрических сетей 10 кВ периодически подвергается испытаниям нормированным повышенным напряжением [73-76]. Если это принять во внимание, то следует признать, что влияние фактора Уі на величину отклика Із не велико, т.е. изменение параметров сети не происходит.
На основании всего изложенного научно обоснованная схема гармонического воздействия высших гармоник напряжения на ток замыкания фазы на землю в промышленных или городских электрических сетях 10 кВ с изолированной нейтралью представляется рис. 3.2. Видно, что основными влияющими факторами на ток замыкания фазы на землю (реактивная составляющая тока 1з,р) являются емкостной ток 1с замыкания фазы на землю, рассчитанный при синусоидальном фазном напряжении, и высшие гармонические составляющие напряжения.
Однако, ГОСТ 13109-97 несинусоидальность напряжения характеризует двумя показателями: коэффициентом к-ой гармонической составляющей напряжения (Ku(Kv,%) и коэффициентом искажения синусоидальности кривой напряжения (Кш%). В связи с этим необходимо при исследовании влияния искажения синусоидальности кривой напряжения 10 кВ на ток замыкания на землю установить так же две математические модели зависимостей Ки фа иКи-ДІз).
Математическая модель влияния коэффициента к-ой гармонической составляющей напряжения на к-ую гармоническую составляющую тока замыкания на землю необходима для повышения достоверности решения задачи по определению эффективности применения специальных дугогасящих реакторов, настраиваемых на частоту к-ой гармоники тока, отличной от частоты основной (первой) гармоники. Эта потребность обусловлена возможностью измерять величину K,j(K), появившейся в последнее время в
связи с широким внедрением в электроэнергетические системы приборов, регистрирующих показатели качества электроэнергии [6, 26, 27, 60]. Функциональная схема влияния коэффициента к-ой гармонической составляющей напряжения на такую же гармоническую составляющую тока замыкания на землю, полученная путем декомпозиции схемы, представленной на рис. 3.1, приведена на рис. 3.3. Эта функциональная схема обосновывает применение методов теоретической электротехники для разработки этой модели.
Математическая модель влияния коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения, который является интегральным показателем всех гармоник, на ток замыкания фазы на землю необходима для решения задачи по определению гармонического воздействия на электрическую сеть 10 кВ как рецептор. Эта потребность обусловлена острой необходимостью обеспечения нормального режима работы этих сетей по току замыкания на землю [6, 60]. Функциональная схема влияния коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения на ток замыкания на землю в электрической сети 10 кВ приведена на рис. 3.4.
Наиболее полно раскрыть механизм влияния Кс на ток замыкания фазы на землю позволяет полный факторный эксперимент, в котором реализуются все возможные наборы факторов. Метод планирования эксперимента позволяет благодаря оптимальному расположению точек, характеризующих исследуемый параметр в факторном пространстве, и линейному преобразованию координат, преодолеть недостатки классического регрессионного анализа, в частности, корреляцию между коэффициентами уравнения регрессии [55].
Эксплуатационные качества электроснабжения на напряжении 3-35 кВ проявляются в режиме однофазного замыкания на землю, потому что токи замыкания на землю при качестве электроэнергии соответствующем требованиям ГОСТ 13109-97 являются интегральными параметрами этих систем электроснабжения. Нарушения показателей качества электроэнергии, особенно искажение формы кривой напряжения, оказывают существенное влияние на уровень токов замыкания на землю, изменяют режим работы контура тока замыкания на землю как с изолированной, так и с компенсированной нейтралью [19, 20, 22, 45, 55, 56, 83, 84].
В первый момент времени однофазного замыкания на землю возникает переходный процесс, который обуславливается разрядом на землю емкости поврежденной фазы и дозарядом емкостей неповрежденных фаз. В дальнейшем ток переходного процесса затухает. Установившийся ток замыкания на землю содержит кроме основной, также высшие гармоники, определенные наличием их в фазном напряжении системы электроснабжения.
Математическая модель к-ой гармонической составляющей тока замыкания на землю
Необходимо было выбрать такую среди разработанных математических моделей, которая достоверно отражала бы электромагнитные явления в системах электроснабжения 10 кВ перечисленных объектов. При этом особое внимание уделялось совпадению спектров высших гармоник напряжения [формула (3.18)].
Таким образом, были отобраны результаты научных исследований по гармоническому воздействию на ток замыкания фазы на землю в электрической сети 10 кВ одного из предприятий ОАО «Казцинк», выполненные в Новосибирской государственной академии водного транспорта инженером Ивановой Е.В. под руководством д.т.н., профессора Горелова В.П. [56].
С целью определения соответствия электромагнитной обстановки в этой сети электромагнитной обстановке в электрических сетях 10 кВ вышеуказанных объектов осуществим ретроспективный анализ системы электроснабжения серий электролизеров цинка, преобразовательные агрегаты которых типа САПТ 25000/450 Т-Э-У4 и др. являются источниками кондуктивных ЭМП по искажению синусоидальности кривой напряжения, методики проведения опытов и полученной математической модели.
Система электроснабжения цинкового завода состоит из источников питания и линий электропередачи, осуществляющих подачу электроэнергии к предприятию, понизительных и распределительных подстанции, связывающих их кабелей и то копрово дов (рис. 3.7). Производство цинка характеризуется большим потреблением электроэнергии и необходимостью распределения ее между распределительными устройствами (РУ), расположенными на значительном расстоянии друг от друга. Схемы электроснабжения цинковых заводов и комбинатов по комплексной переработке сырья имеют 100%-ый резерв мощности по линиям питания 110 кВ и 220 кВ, трансформаторам, токопроводам и секциям РУ. Электроснабжение осуществляется от двух независимых источников: от внешней электроэнергетической системы по отельным одноцепным линиям 110 кВ и 220 кВ, которые подходят до Г1111 предприятий, и от ТЭЦ по токопроводам 10 кВ [53, 55].
Канализация электроэнергии по предприятию от ГПП и ТЭЦ осуществляется по мощным магистральным токопроводам 10 кВ, кабельным линиям и частично воздушным линиям электропередачи (ЛЭП). Воздушные ЛЭП напряжением 10 кВ наиболее экономичны, но ввиду их малой пропускной способности (3 -І- 5) MB А используются в основном для питания объектов сравнительно малой мощности (карьеры, очистные сооружения, удаленные трансформаторные подстанции небольшой мощности и др.) [56]. Канализация электроэнергии в труднодоступные места цинкового производства осуществляется по кабельным линиям. Кабели проложены в земле (траншеи, каналы, туннели) и открыто на конструкциях (галереи, эстакады, стены производственных зданий и т.д.). Передаваемая кабельной линией мощность не превышает (20 -ь 25) MB А, т.е. мощности одного распределительного устройства. Кабельная линия большей мощности обладает некоторыми недостатками, к которым следует отнести: необходимость сооружения сложных и дорогостоящих кабельных сооружений (эстакад, галерей, туннелей и др.), высокую пожароопасность, сравнительно легкую повреждаемость кабелей, что требует принятия дополнительных мер по исключению механических повреждений кабелей в зонах интенсивного движения механизмов и обслуживающего персонала. Кроме того сильно разветвленная кабельная сеть напряжением 10 кВ обладает большими значениями емкостных токов замыкания на землю [55] Токоведущие части токопроводов изготавливают из гибких проводов или шин профильного сечения (труба круглая, двойное Т, швеллер корытообразный и др.). Токопроводы зарекомендовали себя как очень надежные, экономически выгодные, удобные при монтаже и эксплуатации электротехнические устройства, легко выдерживающие перегрузки и различные аварийные режимы работы схемы электроснабжения. Токопроводы более долговечны, чем кабельные линии, и менее пожароопасны [55, 92]. К наиболее применяемым в настоящее время типам токопроводов относятся жесткие симметричные подвесные токопроводы с изоляторами линий электропередачи, гибкие токопроводы из проводов ЛЭП и комплектные закрытые токопроводы типа ТЗК-10. Основные параметры этих токопроводов приведены в [92, 93]. Трассы токопроводов 10 кВ на территории предприятий проложены через зоны размещения основных электрических нагрузок, в которых размещаются РУ на напряжении 10 кВ. На ответвлениях от токопроводов к РУ установлены реакторы типа РБА-10 для ограничения мощностей 3-фазных коротких замыканий, примерно, до величины отключаемой мощности масляных выключателей типов ВМП, ВМГ и др. Применяется секционирование всех звеньев системы электроснабжения — от источников питания до сборных шин низкого напряжения 0,4 кВ цеховой трансформаторной подстанции. На всех межсекционных масляных выключателях секций на напряжении 10 кВ выполнены схемы автоматического включения резерва (АВР). На секциях 0,4 кВ цеховых подстанций схемы АВР выполнены на (25- 45)% от всего количества действующих подстанций. Все элементы схем электроснабжения электролизных производств (линии, трансформаторы и др.) работают раздельно, постоянно находятся под нагрузкой. «Холодный» резерв не применяется [84]. Питание серий электролизеров постоянным или нестационарным током осуществляется от преобразовательной подстанции (1111). Эта подстанция состоит из распределительного устройства переменного тока, силовых трансформаторов с регуляторами напряжения под нагрузкой (РПН), полупроводниковых агрегатов питания (ПА), распределительного устройства выпрямленного тока и распределительного устройства собственных нужд.
Исследование кондуктивных электромагнитных помех по току замыкания на землю в электрических сетях 10 кВ удаленных от промышленных центров объектов, подверженных гармоническому воздействию
Промышленные предприятия, удаленные от промышленных центров, и объекты (береговые объекты речного транспорта, нефте-газоперекачивающие и добывающие предприятия, угольные разрезы, железнодорожные станции и прилегающие к ним населенные пункты и т.д.), электрические сети которых подвержены гармоническому воздействию требуют эффективного электроснабжения на напряжении 10 кВ [4, 13, 14, 29]. Эффективная система электроснабжения должна обеспечивать оптимальные показатели качества электроэнергии, надежности электроснабжения и электробезопасности [6,14,21]. Количественные характеристики надежности системы электроснабжения, полученные путем обзора технической литературы [6, 7, 9, 10, 19, 21, 29, 30, 55], составляют: Определение этих характеристик проводилось при следующих допущениях; показатели качества электроэнергии соответствуют требованиям ГОСТа 13109-97; все элементы одного типа равнонадежны, т.е. величины интенсивности отказов для этих элементов одинаковы; все элементы работают в номинальном режиме, предусмотренном техническими условиями; интенсивности отказов всех элементов не зависят от времени, т.е. в течение срока службы у элементов, входящих в схему электроснабжения, отсутствуют старение и износ; отказы элементов схемы являются событиями случайными и независимыми (схема имеет основное соединение элементов); все элементы схемы работают одновременно [64, 84].
Синтез эффективной системы электроснабжения на напряжении 10 кВ можно осуществить на основе известных методик проектирования и методов построения [13-15, 22-25, 29, 64, 69, 84, 92-94] с учетом дополнительных, разработанных в диссертации, научных положений и рекомендаций.
Прежде всего, методики определения кондуктивной ЭМП по току замыкания фазы на землю в электрической сети 10 кВ, подверженной гармоническому воздействию. Необходимость в разработке этой методики была обусловлена тем, что ГОСТ 13109-97 как нормативно-технический и методический документ не обеспечивает нормальный режим работы электрической сети как рецептора. Нормально допустимый коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения при определенном состоянии (развитии) электрической сети 10 кВ может обусловить увеличение тока замыкания на землю до сверх допустимого значения.
Полученные математическая модель (4.3) позволяет определить величину, а математические модели (4.9) и (4.13) соответственно условие и вероятность появления в электрической сети 10 кВ с изолированной нейтралью кондуктивной ЭМП по току замыкания фазы на землю. Эти математические модели учитывают уровень ЭМС по коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения и режим электрической сети по току замыкания на землю.
Во вторых, математической модели (3.16) для определения к-ой гармонической составляющей тока замыкания фазы на землю при гармоническом воздействии на электрическую сеть. Необходимость в разработке этой математической модели была обусловлена потребностью определять этот ток по коэффициенту к-ой гармонической составляющей напряжения! полученному методом прямого измерения в электрической сети. Она позволяет достоверно и просто решать задачу по определению эффективности применения специальных дугогасящих реакторов, настраиваемых на частоту к-ой гармоники тока, отличной от частоты основной (первой) гармоники, для координации уровня тока замыкания на землю.
В третьих, разработанной рекомендации по обеспечению нормального режима работы электрической сети 10 кВ с изолированной нейтралью по току замыкания фазы на землю при гармоническом воздействии в пределах допустимых значений. Проектируемая или реконструируемая система электроснабжения как рецептор должна соответствовать определенным требованиям [неравенство (4,27)]. Обладать определенным запасом по току замыкания фазы на землю,
В четвертых, математической модели влияния коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения в сети 10 кВ (3.27) на ток замыкания на землю. Эта математическая модель позволяет определять ток замыкания фазы на землю в электрической сети 10 кВ с изолированной нейтралью по величине измеренного значения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения с учетом коэффициента нелинейности и интегрального показателя электрической сети, Область применения этой математической модели составляют электрические сети 10 кВ предприятий, населенных пунктов, перекачивающих насосных станций и других объектов, удаленных от промышленных центров.
Применение предложенной математической модели обеспечивает достаточную достоверность расчетов. Она отличается тем, что основывается на экспериментальных данных, полученных методом планирования эксперимента, в основу которого положена концепция системного анализа [60].
В пятых, алгоритма определения кондуктивных ЭМП по коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения в электрических сетях. Разработанный алгоритм обеспечил новое решение актуальной задачи по определению этих кондуктивных ЭМП, состоящее в установлении математических моделей (2.2) -(2.6), которые научно обоснованно характеризуют электромагнитную обстановку по гармоническому воздействию. Это имеет существенное значение для повышения уровней ЭМС технических средств в электроэнергетических системах. Полученные математические модели отличаются тем, что основываются на производственно-экспериментальных данных и обеспечивают эффективность мероприятий по подавлению кондуктивных ЭМП по коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения и обеспечению нормируемых значений показателей качества электрической энергии в системах электроснабжения.
Схема эффективной системы электроснабжения на напряжении 10 кВ, которая может быть подвержена гармоническому воздействию, определяется решением следующей оптимизационной задачи: требуется определить параметры и структуру эффективной системы электроснабжения путем минимизации функции приведенных годовых затрат [14, 15, 22, 55, 84, 101].
