Содержание к диссертации
Введение
1. Особенности системы защит от аварийных режимов в АСЭ.
1.1 Характерные схемы и режимы работы АСЭ т...
1.2Классификация аварийных режимов в АСЭ г:гг..
1.3Структура системы защит АСЭ ..У.
1.4Особенности АСЭ с точки зрения показателей качества электрической энергии Выводы по Главе 1 лт..
Влияние параметров системы электроснабжения на характер аварийных режимов.
2.1 Резонансные явления в АСЭ Ул..
2.2 Перекомпенсация реактивной мощности .7. Г.
2.3 Электромагнитная совместимость в. !.
Выводы по Главе 2 У.г..
3. Разработка схемы комбинированного фильтра. 61
3.1 Способы улучшения электромагнитной совместимости в АСЭ У...
3.2Гибридные фильтры У. А. 75
3.3Работа ФКУ в АСЭ с нелинейной нагрузкой Т..
3.4Разработка математической модели КФ ...7.9.
3.5 Выбор параметров модели КФ .Р..
Выводы по Главе 3 г.г.
4. Разработка физической модели АСЭ с КФ и экспериментальное исследование работы КФ.
4.1 Выбор элементов силовой части модели ...г..
4.2 Разработка методики измерений на физической модели АСЭ L09
4.3 Исследование влияния параметров и вида нагрузки на КНе
Исследование работы КФ в модели АСЭ г.тг..
4.5Исследование работы КФ при переходных процессах
4.6 Оптимизация параметров КФ т.т..-,.
4.7Методика оптимизации параметров КФ шестифазного выпрямителя
Выводы по Главе 4 Л...
Закл юч ен ие г?Р..
Литература
Введение к работе
Автономные системы электроснабжения (АСЭ) переменного тока представляют собой единые энергетические комплексы, включающие в себя производство, преобразование и распределение электроэнергии для питания потребителей. Автономными являются судовые и бортовые электроэнергосистемы /1-7/, системы питания буровых установок, удаленных нефте- и газодобывающих месторождений (например, морских) /8-10/, системы электроснабжения аэродромов, радио - и телетрансляционных станций и других подобных систем /11-13/, способных работать как совместно с госэнергосистемой, так и без связи с ней. К АСЭ можно отнести системы электроснабжения ответственных потребителей, не допускающих перерывов в питании или предъявляющих повышенные требования к качеству электроэнергии: службы управления транспортом /14/, вычислительные центры /15/, комплексы запуска космических аппаратов, радиолокационные службы, медицинские центры и многие другие объекты /16/.
АСЭ включает в себя различное электрооборудование: генераторные агрегаты, электрораспределительные щиты, электрические сети с различными коммутационными аппаратами, преобразователями энергии, устройствами системной автоматики, измерительными и контрольными приборами и другими элементами.
В большинстве АСЭ предусмотрены, кроме основных источников, резервные источники питания: дизель-генераторы, аварийные электростанции, аккумуляторные батареи и агрегаты бесперебойного питания (АБП) /17,18/.
АСЭ может получать питание от энергосистемы (районной электрической системы) и/или от собственных источников. Согласно /16/ наличие двух режимов функционирования лежит в основе ряда особенностей АСЭ по сравнению с обычной энергосистемой. Основными особенностями АСЭ в режиме функционирования от собственных источников являются:
-соизмеримость мощностей источников и приемников электроэнергии;
-ограниченные возможности аккумулирования электроэнергии и маневра установленной мощностью;
-резкопеременные суточные и сезонные графики нагрузки энергетических установок;
-наличие потребителей с различными требованиями к показателям качества электроэнергии (ПКЭЭ);
-неблагоприятные электрофизические характеристики системы для стабилизации ПКЭЭ.
В режиме функционирования АСЭ от энергосистемы к основным особенностям относятся:
-несоответствие ПКЭЭ в энергосистеме требованиям со стороны большинства ответственных потребителей АСЭ;
-недостаточная надежность электроснабжения потребителей АСЭ от энергосистемы и большие длительности перерывов в питании:
-влияние длительных переходных процессов, связанных с грозовыми перенапряжениями и короткими замыканиями в питающих схемах и т.п., на работу ответственных потребителей АСЭ;
-снижение статической и динамической устойчивости энергосистемы, связанное с уменьшением резерва мощности.
Согласно /16/ указанные особенности АСЭ приводят к необходимости в процессе их создания и эксплуатации решать комплекс проблем, основными из которых являются:
-проблема технико-экономической эффективности АСЭ при функционировании от собственных энергетических установок на долевых нагрузках;
-проблема улучшения ПКЭЭ в установившихся и переходных режимах:
-проблема преодоления максимумов нагрузки без завышения мощности и снижения ресурсов энергетических установок;
-проблема статической и динамической устойчивости АСЭ в различных режимах функционирования:
-проблема электромагиитной совместимости (ЭМС) электроприемников с различным характером потребления электроэнергии в системе ограниченной мощности и стабилизации ПКЭЭ в различных режимах работы АСЭ;
-проблема совместимости таких систем с энергосистемой по требованиям обеспечения ПКЭЭ;
-проблема обеспечения необходимого ресурса и надежности функционирования энергетических установок.
Это приводит к тому, что в АСЭ режимы работы электрической сети, качество электроэнергии и система защит имеют свои особенности по сравнению сетями промышленных предприятий и энергосистемами.
Конфигурация электрической сети, состав оборудования и режим работы АСЭ определяется требованиями потребителей и, в первую очередь, надежностью их электроснабжения в соответствии с категорийностью приемников электрической энергии. Из анализа /1-16/ следует, что в АСЭ используется трехфазный переменный ток преимущественно частотой 50 Гц, уровни напряжений располагаются в диапазоне 0.4-10 кВ. В данной работе будут исследованы системы, рассчитанные на напряжение 0.4 кВ.
В рассматриваемых АСЭ присутствуют потребители первой категории, что определяет наличие не менее двух независимых источников питания, а также потребители особой группы (диспетчерские пункты, вычислительные центры, бортовые ЭВМ), для бесперебойного питания которых необходим третий независимый источник питания.
Электрическая сеть АСЭ выполняется чаще всего кабельной, и только резервная линия внешней энергосистемы может быть воздушной. Эти сети относятся к распределительным и являются разомкнутыми.
Генераторы электрической энергии с коммутационной, защитной и контрольной аппаратурой, а также со сборными шинами и отходящими кабельными линиями составляют схему соединения АСЭ.
Для большинства АСЭ основным видом электрооборудования являются электрические двигатели. Они составляют около 70-80% всех приемников электрической энергии в АСЭ. Электродвигатели служат приводом для различных механизмов, при этом значительную часть составляют регулируемые электроприводы, имеющие в своем составе преобразователи частоты. Примерами такого применения являются насосные установки регулируемой производительности, вентиляторные установки, а также разнообразные приводы переменного тока с необходимостью частотного регулирования.
Для регулируемых электроприводов с двигателями постоянного тока устанавливаются полностью и полууправляемые мостовые выпрямители.
Значительную долю электрооборудования АСЭ составляет осветительное оборудование: прожектора, сигнальные огни, линии огней посадочных полос (аэродромов), кодовые маяки, которые могут быть снабжены регуляторами напряжения и мощности, и даже иметь автономные источники питания.
В ремонтных цехах аэропортов, на борту крупных морских и речных судов могут использоваться устройства электродуговой (питаемые неуправляемыми мостовыми выпрямителями) и контактной сварки с однофазными трансформаторами, снабженными отдельными или встроенными регуляторами напряжения. Однофазные установки контактной электросварки могут быть также оснащены регулируемыми ти-ристорными контакторами.
Все вышеназванное оборудование, состав которого зависит от назначения объекта, получает питание от одной распределительной сети АСЭ, которая должна обеспечить надежное питание всех потребителей при требуемом качестве электроэнергии.
Наличие такого оборудования, как преобразователи частоты, выпрямители управляемые и неуправляемые, ЭВМ, полупроводниковые АБП и различные регуляторы и пр., которые имеют нелинейные вольт-амперные характеристики, приводит к негативным последствиям для остальных потребителей электроэнергии в АСЭ. Силовые трансформаторы, электродвигатели и газоразрядные лампы также относятся к нелинейным потребителям, однако их влияние значительно слабее.
Воздействие потребителей с нелинейными характеристиками на сеть заключается в генерации высших гармонических составляющих тока и напряжения при искажении этими потребителями формы кривых напряжения и тока сети /19/,/20/.
При этом повышается вероятность возникновения резонансных явлений и возрастает выход из строя конденсаторных батарей. Нарушается нормальная работа вычислительной техники, устройств релейной защиты и автоматики. Высшие гармонические составляющие тока в обмотках статора и ротора электродвигателей приводят к дополнительным потерям; аналогичным образом увеличиваются потери в трансформаторах, кабельных линиях и конденсаторах. В результате повышенного нагрева происходит ускоренное старение изоляции электрических машин, трансформаторов и кабелей, что может вызвать их преждевременный выход из строя.
Все эти негативные аспекты присутствия высших гармонических составляющих в кривых тока и напряжения могут привести возникновению переходных процессов, имеющих в АСЭ аварийный характер. Этому способствуют неблагоприятные энергофизические условия самой системы: ограниченная мощность короткого замыкания, малая длина и сопротивление линий, возможное отсутствие высоковольтных трансформаторов, которые являются "естественными" препятствиями для высших гармоник.
Анализ методов и способов предотвращения аварийных режимов АСЭ показал, что во всех рассмотренных случаях все виды защит, за исключением защиты от небаланса полного тока при параллельной работе генераторов, действуют на отключение неисправного элемента (генератора, линии, приемника).
Таким образом, актуальность проблемы улучшения электромагнитной совместимости (ЭМС) в АСЭ обусловлена широким распространением нагрузки с нелинейными вольт - амперными характеристиками и повышением единичных мощностей нелинейных потребителей, что приводит к значительной несинусоидальности питающего тока и напряжения, создающей предпосылки для возникновения аварийных процессов.
Цель работы: исследование особенностей работы АСЭ в нормальных и аварийных режимах, разработка АСЭ с новым классом силовых фильтров для улучшения показателей качества электроэнергии.
Задачи исследования: изучение и классификация аварийных процессов в АСЭ; выяснение особенностей защит АСЭ; рассмотрение существующих способов борьбы с высшими гармониками и анализ их недостатков; создание математической и физической модели комбинированного фильтра (КФ); создание физической модели АСЭ; исследование работы КФ в АСЭ в нормальных режимах и при переходных процессах.
Методика проведения исследования: использовалось теоретическое и физическое моделирование. В теоретических разработках применялись методы, принятые в электротехнике, теории электрических цепей и гармонического анализа, и полупроводниковой электронике, а также положения основ электроснабжения.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов. Справед-ливость теоретических положений подтверждена результатами экспериментальных исследований на специально созданных моделях АСЭ и КФ и использованием различных способов спектрального анализа кривых токов и напряжений.
Научная новизна: впервые предложено для улучшения ЭМС в АСЭ использовать КФ. в котором фильтрокомпенсирующее устройство объединено с активным фильтром, единым для нескольких резонансных контуров. Разработана математическая модель комбинированного фильтра и разработана физическая модель АСЭ с комбинированным фильтром. Предложена инженерная методика оптимизации параметров комбинированного фильтра, работающего совместно с неуправляемым шес-тифазным выпрямителем.
Основные практические результаты: 1. Математическая модель КФ позволяет реализовать принцип компенсации падений напряжения на активных сопротивлениях резонансных контуров пассивной части фильтра.
2. Разработан и реализован на физической модели КФ с пассивной и активной частью; сформулированы рекомендации по конструктивному исполнению элементов канала активной фильтрации, позволяющие получить линейную зависимость между входным и выходным сигналами активного элемента.
3. Разработана и создана физическая модель автономной системы электроснабжения с нелинейной нагрузкой и комбинированным фильтром.
4. Полученые экпериментальные данные подтверждают эффективность работы КФ по улучшению электромагнитной совместимости в АСЭ.
5. Показано, что применение КФ смягчает протекание переходных процессов, возникающих при включении нагрузки в работу.
6. Предложена инженерная методика оптимизации параметров КФ по установленной мощности конденсаторов резонансных контуров.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались автором и обсуждались:
-на 4-й Российской научно-технической конференции "Электромагнитная со-совместимость технических средств и биологических объектов" (Санкт - Петербург, 1996 г.);
- на 1-м Международном симпозиуме "Электроснабжение, качество электроэнергии, электромагнитная совместимость на железнодорожном транспорте" (Москва, 1997 г.);
- на научно-технических семинарах кафедры ЭПП МЭИ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ. Материалы диссертации использовались в 3-х отчетах по научно-исследовательским работам.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения. Список литературы насчитывает 73 наименований. Общий объем составляет 156 страниц,, 57 рисунков на 48 страницах. 9 таблиц на 7 страницах, список литературы на 8 страницах.
