Содержание к диссертации
Введение
1. Особенности электроснабжения промышленных предприятий с непрерывными технологическими процессами 13
1.1. Проблема качества электроэнергии для предприятий нефтяной и газовой промышленности 13
1.2. О взаимной зависимости «независимых» источников питания 21
1.3. Некоторые соображения по количественной оценке степени зависимости источников питания 27
1.4. Применение быстродействующего АВР для повышения надежности электроснабжения потребителей 35
1.5. Выводы по главе 57
2. Методы повышения устойчивости электротехнических систем 59
2.1. Классификация возмущений в системах электроснабжения по показателям устойчивости 59
2.2. Обзор основных методов по повышению устойчивости электротехнических систем 64
2.3. Организационно-технические мероприятия по повыщению устойчивости ЭТО 2.3.1. Корректировка уставок защиты минимального напряжения 66
2.3.2. Изменение схемы нормального режима системы внешнего электроснабжения за счет оптимизации числа межсистемных связей 68
2.4. Мероприятия по реконструкции и модернизации системы внутреннего электроснабжения 70
2.4.1. Разукрупнение узлов электрической нагрузки 71
2.4.2. Улучшение условий самозапуска и автоматического повторного пуска электроприводов
2.4.3. Применение устройств компенсации реактивной мощности и цифровых устройств возбуждения синхронных двигателей 84
2.4.4. Применение устройств частотного регулирования асинхронных двигателей 88
2.5. Выводы по главе 89
3. Перспективы применения преобразователей частоты для повышения устойчивости электротехнических систем 90
3.1. Технико-экономические предпосылки применения преобразователей частоты для привода нагнетательного оборудования 90
3.2. Классификация приемников электроэнергии в задачах повышения устойчивости ЭТС 92 3.3. Влияние преобразователей частоты на устойчивость узлов электрической нагрузки 94
3.4. Моделирование переходных процессов в асинхронных электродвигателях при провалах напряжения 96
3.5. Безударный подхват выбегающего асинхронного электродвигателя преобразователем частоты 109
3.6. Выводы по главе 114
4. Анализ систем электроснабжения и устойчивости ЭТС ООО «Тольяттикаучук» 116
4.1. Краткое описание электротехнической системы предприятия 116
4.2. Анализ системы внешнего электроснабжения предприятия 117
4.3. Анализ кратковременных нарушений электроснабжения предприятия
4.4. Анализ плана ООО «Тольяттикаучук» по повышению надежности электроснабжения предприятия 131
4.5. Предварительные результаты анализа состояния системы внешнего электроснабжения 134
4.6. Расчет режимов ЭТС при авариях в системе внешнего электроснабжения 135
4.7. Расчет и анализ параметров устойчивости ЭТС предприятия 144
4.8. Результаты анализа системы электроснабжения и устойчивости ЭТС ООО «Тольяттикаучук» 151
Заключение 156
Литература
- Применение быстродействующего АВР для повышения надежности электроснабжения потребителей
- Изменение схемы нормального режима системы внешнего электроснабжения за счет оптимизации числа межсистемных связей
- Классификация приемников электроэнергии в задачах повышения устойчивости ЭТС
- Анализ плана ООО «Тольяттикаучук» по повышению надежности электроснабжения предприятия
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время кратковременные нарушения электроснабжения (КНЭ) предприятий нефтяной, газовой и нефтехимической промышленности служат основной причиной нарушений устойчивости нормальных режимов работы их многомашинных электротехнических систем (ЭТС). Следствием настоящих нарушений электроснабжения являются аварийные остановы технологических процессов вышеуказанных предприятий, характеризующихся высокими требованиями в части непрерывности, качества и надежности электроснабжения. Обозначенная выше проблема, обусловленная КНЭ, становится все более актуальной по мере усложнения технологических процессов промышленных предприятий с непрерывными технологическими процессами, а также использования микропроцессорных средств управления как отдельными технологическими установками, так и целыми технологическими комплексами.
В 90-х годах прошлого столетия в США и Канаде надвигающиеся последствия КНЭ оценили более чем в 150 миллиардов долларов потерь в год, результатом чего стала программа общенациональных энергетических обследований большого числа предприятий, разработка новых концепций защиты промышленного оборудования от КНЭ. Следует отметить, что по сравнению с вышеуказанными странами, в Российской Федерации существует ряд дополнительных факторов, увеличивающих вероятность возникновения КНЭ и обусловленных значительным снижением надежности систем внешнего электроснабжения из-за высокого физического износа их основного электрооборудования, ограниченного финансирования программ по его модернизации и капитальным ремонтам. Фактически в период с начала 90-х годов прошлого века вплоть до середины 2000-х годов осуществлялся лишь точечный ремонт и модернизация объектов единой электроэнергетической отрасли страны при практически полном отсутствии системного подхода и единой технической политики в данном вопросе. При этом данный процесс сопровождался непрерывным реформированием организационной и управленческой структуры этой отрасли. Сложившуюся ситуацию усугубляет и тот факт, что в течение обозначенного периода времени при практически полном отсутствии ввода в эксплуатацию новых генерирующих мощностей наблюдался значительный рост потребления электроэнергии, обусловленный ростом экономики страны. Все это привело к тому, что общесистемные показатели надежности электроснабжения в ряде регионов Российской Федерации вплотную приблизились к своим предельно допустимым минимальным значениям.
Выполненный в настоящей работе анализ действующей законодательной и нормативно-технической документации по данному вопросу показывает, что приведенный в ней понятийный аппарат имеет значительное количество неточностей и неопределенностей, допускающих двусмысленную трактовку ряда определений и положений, что, в свою очередь, не позволяет потребителям электроэнергии вести претензионно-исковую работу в отношении энергоснабжающих компаний по факту не обеспечения последними требуемых показателей надежности электроснабжения и качества поставляемой электроэнергии. Ввод в действие с 1 июля 2013г. нового нормативно-технического документа ГОСТ Р 54149-2010, определяющего данные показатели, лишь только усугубит эту и без того непростую ситуацию. Данное утверждение обусловлено тем, что в этом документе пересмотрены требования к показателям качества электроэнергии в сторону их (требований) снижения.
Помимо обозначенных выше организационных и правовых аспектов задачи обеспечения предприятий надежным электроснабжением с требуемыми показателями качества электроэнергии необходимо учитывать и технические особенности данной проблемы, связанные с существующей зависимостью источников питания, обусловленной их работой в составе единой энергосистемы с большим количеством электрических связей.
Таким образом, задача повышения надежности электроснабжения предприятий, в первую очередь требует разрешения сложившегося противоречия между их потребностями в бесперебойной работе и регламентированными нормами, приведенными в действующей нормативно-технической документации и отражающими интересы энергоснабжающих организаций. Здесь следует отметить, что для эффективного решения проблемы повышения надежности электроснабжения непрерывных производств необходимо реализовать целый комплекс организационных и технических мероприятий, как со стороны промышленных предприятий, так и со стороны энергоснабжающих организаций. Ввиду вполне понятных ограничений достаточно сложно реализовывать какие-либо мероприятия на уровне энергосистемы. Таким образом, в сложившейся ситуации решение проблемы обеспечения надежного и бесперебойного электроснабжения промышленных предприятий, чувствительных к КНЭ, фактически возлагается на сами предприятия.
Представляется очевидным, что у промышленных предприятий значительно ограничена возможность самостоятельного повышения показателей надежности собственного электроснабжения, однако разработка перечня мероприятий по повышению устойчивости их электротехнических систем к КНЭ представляется достаточно перспективным направлением развития. Наиболее актуальными разработка и внедрение данных мероприятий являются для технологических процессов нефтяной и газовой промышленности, и особенно для процессов нефте- и газопереработки, нефте- и газохимии. Потеря устойчивости электротехническими системами таких промышленных предприятий приводит к неминуемому аварийному нарушению технологических процессов, останову оборудования, и, как следствие, к значительным финансовым потерям. Также необходимо отметить, что во многих случаях результат подобных происшествий не ограничивается только убытками от недовыпуска продукции. При аварийных остановках подобных производств велик риск возникновения пожароопасных и взрывоопасных ситуаций, что создает угрозу жизни людей, целостности окружающей среды и самих предприятий. Это объясняется тем, что целый ряд их производств связан с переработкой токсичного, в том числе и высокотоксичного сырья. Аварийные остановки подобных производств неминуемо будут приводить к сбросу в атмосферу значительных объемов не переработанного или переработанного только частично сырья, что, в свою очередь может привести к весьма тяжелым экологическим последствиям для целого региона, в котором располагается предприятие. Помимо этого аварийные остановки производства и их последующие пуски приводят к ускоренному износу основного технологического и электротехнического оборудования. Данную составляющую убытков достаточно сложно определить количественно, однако не учитывать этот фактор в принципе неверно. Таким образом, повышение надежности электроснабжения и устойчивости ЭТС к кратковременным нарушениям электроснабжения является одной из первоочередных задач для предприятий нефтегазового сектора, степень работоспособности и исправное функционирование которого в настоящее время напрямую определяют стабильность экономического развития страны.
Для решения обсуждаемых проблем на сегодняшний день существуют различные подходы и методики, которые постоянно совершенствуются по мере развития соответствующей научно-технической базы. Общие вопросы устойчивости, как крупных многомашинных комплексов, так и отдельных узлов электродвигательной нагрузки изучались многими исследователями. Отдельные вопросы устойчивости и надежности электроснабжения ЭТС объектов нефтегазовой промышленности исследованы в ряде диссертационных работ и научных публикаций. Разработаны и успешно применяются специализированные программные продукты, предоставляющие возможность уточнить полученные ранее результаты и расширить представление о рассматриваемой области знаний. Наряду с этим опыт эксплуатации электротехнических систем промышленных предприятий с непрерывными технологическими процессами показывает нехватку научной базы для проведения расчетов и анализа режимных вопросов с целью принятия обоснованных и правильных решений, обеспечивающих приемлемые показатели надежности электроснабжения и устойчивости электротехнических систем данных предприятий на стадии их проектирования, эксплуатации и реконструкции.
Представляемая работа посвящена анализу режимов и устойчивости промышленных ЭТС с асинхронными машинами, разработке и систематизации рекомендаций, способствующих решению вопросов надежного электроснабжения, а также повышения и более полного использования существующего запаса устойчивости таких ЭТС, что является актуальной научной и технической задачей.
Цель работы заключается в совершенствовании методов расчета и анализа устойчивости промышленных электротехнических систем и повышении надежности их электроснабжения и устойчивости за счет применения новых технических решений.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
-
Выполнить анализ положений действующей нормативно-технической документации в области надежности электроснабжения и степени их применимости к задачам оценки зависимости питающих вводов, сравнить существующие методы оценки зависимости питающих вводов с целью обоснования их применимости при различных наборах исходных данных.
-
Проанализировать и систематизировать мероприятия по повышению надежности электроснабжения и устойчивости работы электротехнических систем промышленных предприятия с непрерывными технологическими процессами с целью обоснования их применимости на различных этапах создания и эксплуатации конкретных систем.
-
Оценить целесообразность и эффективность применения современных преобразователей частоты при решении задач повышения устойчивости работы асинхронных электроприводов и получить количественные и качественные оценки их влияния на основные показатели устойчивости двигателей и установления приемлемого математического описания такого влияния.
Объекты и методы исследования. Объектами исследования в предлагаемой работе являются отдельные узлы электродвигательной нагрузки и целые электротехнические системы предприятий нефтяной и газовой промышленности. Результаты исследований проиллюстрированы разработкой комплекса мероприятий по повышению надежности электроснабжения и устойчивости конкретного объекта нефтехимии. В работе использовались положения и методы теории электрических цепей, теории электромагнитного поля, теории электрических машин, теории электропривода, математического анализа, математического и компьютерного моделирования электротехнических систем, элементы теории устойчивости электротехнических систем.
Научная новизна результатов исследований.
-
Выполнен сопоставительный анализ методик оценки зависимости питающих вводов. Показана необходимость учета вероятностных характеристик возникновения одновременных нарушений электроснабжения по нескольким питающим вводам.
-
Исследованы внешние характеристики электротехнической системы в координатах составляющих эквивалентного сопротивления ЭТС при ее ступенчатой разгрузке.
-
Разработаны метод и алгоритмы функционирования устройств частотного регулирования при нарушениях электроснабжения для подхвата выбегающего асинхронного двигателя по характеристикам его остаточной ЭДС.
-
Предложена классификация электроприемников с учетом их инерционных свойств для обоснованного выбора путей повышения устойчивости технологического процесса к нарушениям нормального режима электроснабжения.
Основные научные положения, выносимые на защиту.
-
Результаты анализа критериев зависимости источников питания.
-
Классификация электроприемников и возмущающих воздействий с точки зрения устойчивости работы данных электроприемников.
-
Метод определения текущей скорости частотно-регулируемого привода, выбегающего после нарушения электроснабжения, и алгоритмы его подхвата после восстановления питания.
-
Результаты анализа мероприятий по повышению устойчивости электротехнических систем к нарушениям электроснабжения.
Обоснованность и достоверность результатов подтверждается использованием апробированных методов математического моделирования ЭТС, апробированных программных средств, корректностью исходных предположений и допущений, хорошей сходимостью расчетных и экспериментальных результатов.
Практическая ценность работы и ее реализация.
-
Даны рекомендации по выбору методов оценки степени зависимости источников питания промышленных предприятий с непрерывными и напряженными технологическими процессами.
-
Показана целесообразность применения устройств быстродействующего автоматического включения резерва (БАВР) для повышения надежности электроснабжения потребителей электрической энергии при кратковременных нарушениях электроснабжения. Внедрению БАВР должен предшествовать анализ зависимости питающих вводов и расчет показателей устойчивости конкретного узла нагрузки.
-
Систематизирован перечень методов повышения устойчивости электротехнических систем к нарушениям электроснабжения. Даны рекомендации по их выбору.
-
Разработаны и обоснованы рекомендации по введению в цепь управления преобразователя частоты звена измерения угловой скорости выбегающего асинхронного двигателя на основе контроля характеристик его остаточной ЭДС.
-
Показана целесообразность применения устройств частотного регулирования асинхронных двигателей для повышения устойчивости узлов нагрузки ЭТС и технологических процессов предприятия.
-
Приведена классификация электроприемников по ограничениям на допустимый перерыв электроснабжения с учетом их инерционных свойств.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях и семинарах:
на научно-технической конференции ОАО «СИБУР Холдинг» «Современные технологии при создании автоматизированных систем управления энергоснабжением» (Пермь, 2006);
на Седьмой Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России «Новые технологии в газовой промышленности» (Москва, 2007);
на научно-технической конференции ОАО «СИБУР Холдинг» «Повышение надежности электроснабжения предприятий ОАО «СИБУР Холдинг» (Москва, 2008);
на IX Международной конференции «Новые идеи в науках о земле» (Москва, 2009);
на научных семинарах кафедры Теоретической электротехники и электрификации нефтяной и газовой промышленности РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина (2006-2011гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 2 в издании, рекомендованном ВАК РФ, одно учебно-методическое пособие и один стандарт предприятия.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 70 наименований. Работа изложена на 164 страницах машинописного текста и содержит 30 рисунков и 8 таблиц.
Применение быстродействующего АВР для повышения надежности электроснабжения потребителей
Таким образом, становится очевидным существование в стране монополии на распределение электрической энергии, и фактическое отсутствие у потребителей возможности выбора поставщика одного из основных производственных ресурсов. При этом ситуацию серьезно усугубляют два немаловажных фактора. Во-первых, значительный износ сетевого оборудования, имеющий место в большинстве энергетических компаний страны (основное энергетическое и электротехническое оборудование было введено в эксплуатацию в 60-х годах прошлого века, а работы по его реконструкции и модернизации носили локальный характер и не являлись системными). Во-вторых, практически все проблемы, связанные с качеством электрической энергии, надежностью и иными показателями электроснабжения возникают на стадии передачи и распределения.
Все это позволяет утверждать, что в существующей действительности проблема обеспечения качественного и надёжного электроснабжения становится весьма критичной для целого ряда промышленных предприятий, особенно для предприятий нефтегазового сектора, а высокий риск нарушения их электроснабжения и отпуск им некачественной электрической энергии становится вполне ожидаемым и закономерным явлением.
В таких условиях логично предположить, что интересы потребителей должны быть защищены действующими нормативными и регламентирующими документами, и в случае нарушения электроснабжения или ухудшения, даже незначительного, качества электроэнергии весь ущерб, понесенный потребителем, будет надлежащим образом компенсирован энергоснабжающей компанией. Однако на практике все обстоит несколько иначе. В этом месте целесообразным будет обратиться к упоминавшимся выше государственному стандарту и правилам устройства электроустановок.
В действующем стандарте [13] указаны следующие ограничения на допустимые провалы напряжения: «Предельно допустимое значение длительности провала напряжения в электрических сетях напряжением до 20 кВ включительно равно 30 с. Длительность автоматически устраняемого провала напряжения в любой точке присоединения к электрическим сетям определяется выдержкой времени релейной защиты и автоматики». Если учесть, что приемлемым запасом динамической устойчивости для крупных промышленных предприятий нефтяной и газовой промышленности считается значение 0,5 с [40], то становится очевидным, что действующие нормы никак не защищают интересы потребителей электрической энергии по данной позиции. Статистические данные по временным характеристикам провалов напряжения только подтверждают данное заключение [13]. Так, для большинства отечественных электрических сетей доля длительности провалов напряжения в диапазоне времени от 3 до 30 с составляет от 7 до 38 % общего числа возмущений, а доля возмущений в диапазоне времени от 0 до 0,5 с - 64 %. Таким образом, с определенной долей уверенности можно говорить о том, что каждый третий случай нарушения электроснабжения будет приводить нарушению устойчивости электротехнических систем предприятий нефтяной и газовой промышленности и, как результат, будет приводить к аварийному останову их технологических процессов, а также может сопровождаться серьезными экологическими, экономическими и др. последствиями.
Очевидно, что столь низкие показатели качества и надежности электроснабжения являются неприемлемыми для потребителей первой категории надежности электроснабжения, коими и являются предприятия нефтегазового сектора. В подтверждение этим словам следует отметить тот факт, что в договорах на поставку электрической энергии, заключаемых между потребителем и энергоснабжающей организацией, указывается, что качество поставляемой электрической энергии должно соответствовать требованиям действующих государственных стандартов, в частности [13], и в случае нарушения электроснабжения или отклонения качества электрической энергии от требуемых значений энергоснабжающая компания возмещает потребителю причиненный тому ущерб. Однако в данном случае подразумевается не полный ущерб, понесенный потребителем, а только реальный ущерб: порыв трубопровода, замена сальников и уплотнителей и прочие повреждения оборудования. Размер данного ущерба в подавляющем большинстве случаев не сопоставим с размерами косвенных убытков потребителя, обусловленных недовыпуском продукции, выпуском бракованной продукции, потерей сырья и необходимостью его утилизации. Согласно действовавшим правилам [45], возникающий ущерб потребителя при перерывах электроснабжения по вине электроснабжающей организации должен был компенсироваться ею в размере восьмикратной стоимости электроэнергии, недоотпущенной потребителю за время перерыва электроснабжения. Однако это требование не выполнялось по причине отсутствия соответствующих утвержденных на государственном уровне методик расчета, механизмов взыскания и порядка компенсаций. К тому же указанный размер компенсации никак не был связан с фактическим ущербом потребителя, который определяется технологическими особенностями последнего и может во много раз превышать отмеченные значения компенсации. По существу, рассматриваемое требование носило формальный характер.
Изменение схемы нормального режима системы внешнего электроснабжения за счет оптимизации числа межсистемных связей
В нормальном режиме работы оба источника питания ИП 1 и ИП 2 через включенные выключатели Q1 и Q2 осуществляют питание электроприемников секций шин СШ 1 и СШ 2. Секционный выключатель Q3 в этом случае находится в разомкнутом (выключенном) состоянии. Для электроприемников секции шин СШ 1 источник питания ИП 1 является основным, а источник питания ИП2 является резервным, а для электроприемников секции шин СШ 2 - наоборот.
Комплекс БАВР в режиме реального времени измеряет значения токов и напряжений питающих вводов с помощью микропроцессорных терминалов защит REF542plus подключенных через измерительные трансформаторы тока и напряжения. Для обеспечения максимального быстродействия в терминалах REF542plus помимо стандартных функций защит реализовано два программных детектора, разработанных специально для применения в системах БАВР для определения аварийной ситуации или КНЭ: - FDI (Fast Direction Indication) - быстродействующий модуль определения направления мощности, блок-схема которого приведена на рисунке 1.4.З.; - VS (Voltage Supervision) - быстродействующий модуль контроля напряжения, блок-схема которого приведена на рисунке 1.4.4. Модуль FDI осуществляет непрерывный контроль направления мощности, в то время как модуль VS непрерывно контролирует напряжение (снижение или превышение допустимого уровня).
Блок-схема быстродействующего программного модуля
контроля напряжения VS. Подробная блок-схема быстродействующего программного модуля контроля напряжения У8 для фазы А изображена на рисунке 1.4.5.
Детальная блок-схема быстродействующего программного модуля контроля напряжения VS для фазы А. Модули FDI и VS непрерывно оценивают фазные напряжения и токи. В случае обнаружения аварийной ситуации или КНЭ на одном из вводов соответствующий терминал REF542plus передает в микропроцессорный блок SUE3000 либо команду на пуск АВР, либо команду, блокирующую данное переключение. Благодаря тому, что микропроцессорные терминалы REF542plus являются свободно программируемыми устройствами становится возможным реализовать практически любой алгоритм определения аварийной ситуации в зависимости от конкретных особенностей объекта внедрения комплекса БАВР. В том числе, основываясь на измерениях скорости изменения показателей качества электроэнергии питающих вводов, существует возможность инициировать превентивный пуск БАВР до наступления аварийной ситуации, уменьшая тем самым ее последствия. Для максимального быстродействия и надежности работы комплекса БАВР информационный обмен между терминалами REF542plus и SUE3000 осуществляется по дублированным оптоволоконным каналам связи (показаны синим цветом нарис. 1.4.2).
Микропроцессорный терминал SUE3000 является ключевым элементом системы БАВР. Его основные функции заключаются в том, чтобы при получении от любого из микропроцессорных терминалов REF542plus команды на пуск АВР в режиме реального времени оценить состояние электротехнической системы (уровень токов, напряжений, частоты, углов расхождения векторов напряжений обоих источников питающих, а также направления активной и реактивной мощности), определить, по какому алгоритму осуществлять АВР, и выполнить данное переключение посредством подачи соответствующих команд управления на высоковольтные выключатели. В стандартное исполнение входят четыре возможных варианта переключения, каждый из которых можно разрешить/запретить путем соответствующего параметрирования SUE3000. Помимо этого существует возможность ручного переключения (как дистанционного, так и по месту), а также переключение по любой дополнительной логике, т.к. SUE3000 также является свободно программируемым микропроцессорным устройством. В зависимости от состояния электротехнической системы, места возникновения возмущения и его вида микропроцессорный терминал SUE3000 определяет и осуществляет наиболее оптимальный в данной ситуации вариант переключения.
Далее будут перечислены типовые варианты включения АВР, реализованные в SUE3000 [70] (диаграммы вариантов срабатывания быстродействующего АВР приведены на рисунке 1.4.6.):
1. Быстрое переключение. Быстрое переключение возможно в случае, если одновременно выполняются следующие условия: - остаточное напряжение резервного источника питания ІІИПРЕЗ больше или равно минимально допустимого значения рабочего напряжения UHUMIN (уставка по умолчанию иИпмт = 0,8UHOM, может корректироваться); - остаточное напряжение резервируемой секции шин Ucm больше или равно минимально допустимого значения рабочего напряжения UCIUMN (уставка по умолчанию UCUIMIN = 0,7 UHOM, может корректироваться); - значение угла расхождения соответствующих фаз напряжений обеих секций шин \ не превышает максимального значения УМАХ (уставка по умолчанию \Щ = 20, может корректироваться [70]); - разница значений частот напряжения обеих секций шин Af не превышает максимального значения/ (уставка по умолчанию / = 1 Гц, может корректироваться [70]).
В случае выполнения всех вышеуказанных условий при получении от любого из REF542plus терминал SUE3000 одновременно подаст команды на отключение вводного выключателя и включение секционного выключателя (см. рис. 1.4.7.). Вследствие чего переключение на резервный источник питания осуществляется в течение полутора периодов синусоиды, продолжительность бестоковой паузы в этом случае составляет около 5 мс [70].
2. Переключение при совпадении первоп Фазы. В случас если источники питания не синхронизированы между собой в момент получения от одного из терминалов REF542plus команды на переключение, то терминал SUE3000 без выдержки времени дает команду на отключение вводного выключателя поврежденного источника, команду на включение секционного выключателя выдается в момент минимальной разницы между напряжениями питающей шины и резервного источника питания (см. рис. 1.4.8.). В этом случае среднее время переключения составит от 250 до 500 мс [70], причем конкретное значение будет зависеть от характера изменения остаточного напряжения нагрузки.
3. Переключение по остаточному напряжению (несинхронное). Данный случай имеет место, когда критерий для быстрого переключения не выполняется, а переключение при совпадении первой фазы является неприемлемым. В этом случае после отключения вводного выключателя основного источника питания осуществляется мониторинг затухания остаточного напряжения на питающей шине. При достижении заранее установленного значения остаточного напряжения включается секционный выключатель. Тем самым обеспечивается такое переключение, при котором максимальная возможная разность напряжений между питающей шиной и сетью резервного источника питания (в случае противоположных фаз) не превосходит определенного значения, тем самым ограничивая резкий скачок момента двигателей оборудования при подключении резервного источника питания.
Классификация приемников электроэнергии в задачах повышения устойчивости ЭТС
Ко второй группе потребителей электрической энергии предлагается отнести те из них, для которых длительность допустимого перерыва электроснабжения определяется инерцией технологических потоков. Для технологических процессов в нефтяной и газовой промышленности факторами, ограничивающими запас их устойчивости, обычно служат давление в трубопроводе, установке и т.п. или подача того или иного продукта. И в том, и в другом случае эти параметры определяются темпами выбега электроприводов. К этой группе потребителей могут быть отнесены, например, воздуходувки, обеспечивающие процессы горения, питательные насосы установок по производству пара и ряд других. Допустимое время нарушения нормального режима электроснабжения для этой группы потребителей обычно находится в пределах от десятков миллисекунд до нескольких секунд. Как правило, такие приводы имеют достаточно большую мощность, по этой причине применение систем бесперебойного питания для обеспечения их работоспособности оказывается экономически неоправданным. Далее будут приведены некоторые соображения по повышению устойчивости именно этой группы электроприемников. к третьей группе должны быть отнесены те потребители, остановка которых приводит к расстройству технологического процесса только через достаточно заметное время. Это время определяется инерционностью технологического оборудования, здесь должна быть учтена тепловая и массовая инерция различного рода накопителей. Примером таких потребителей могут служить насосы систем охлаждения, компрессоры воздуха КИП, насосы поддержания уровня технологического продукта и т.п. Допустимое время перерыва электроснабжения для этой группы потребителей обычно составляет от единиц до десятков секунд. Проблема обеспечения устойчивости технологического процесса для данной группы обычно успешно решается применением самозапуска, автоматического повторного пуска или вводом технологического резерва.
Влияние преобразователей частоты на устойчивость узлов электрической нагрузки Как было отмечено, основную проблему для обеспечения устойчивости технологического процесса к нарушениям нормального режима электроснабжения создают потребители второй выделенной группы. Еще раз следует отметить, что эти потребители представлены электроприводами, часто имеющими достаточно большую единичную мощность и высокую степень ответственности в технологическом процессе. Для большей части технологических установок критичен выход контролируемого технологического параметра за границы допустимого диапазона. Помимо этого для таких установок регламентируется время, в течение которого допускаются какие-либо отклонения технологического параметра. Как правило, длительность допустимых отклонений варьируется в пределах от долей секунды до нескольких секунд, что в ряде случаев является недостаточным для затухания ЭДС статора (Ест) выбегающего асинхронного электродвигателя (АД), что может создавать сложности при реализации программы автоматического повторного пуска. Существует несколько возможностей решения данной проблемы: - организация принудительного торможения двигателя: постоянным полем, тормозными резисторами; - установка резервирующего оборудования; - применение преобразователей частоты.
Первые два способа достаточно сложны в своей реализации и имеют несколько существенных недостатков: при повторном включении АД, во избежание гидроударов в соответствие с заранее разработанным алгоритмом необходимо регулировать технологический параметр за счет изменения площади проходного сечения запорно-регулирующей арматуры, что значительно усложняет процесс пуска и требует гораздо больше времени. В этом случае требуется установка задвижки или клапана с ПИД-регулятором электропривода. Однако данное оборудование является весьма дорогостоящим и сложным в эксплуатации.
Наиболее экономичным и функциональным решением представляется установка преобразователей частоты (ПЧ), которые обладают рядом несомненных преимуществ: - в течение некоторого времени (как правило, до двух-трех сотен миллисекунд) осуществляется поддержка работоспособности АД при снижении напряжения питающей сети до 70 % номинального уровня; - существует возможность плавного разгона остановившегося двигателя при полностью открытой регулирующей задвижке, что обеспечивает исключение гидроударов и значительно упрощает процесс его пуска; - при организации обратной связи становится возможным осуществлять регулирование скорости движения (вращения) рабочего органа исполнительного механизма с целью поддержания технологического параметра в заданном диапазоне; - становится возможным осуществлять безударный подхват выбегающего двигателя (подхват на ходу).
В рассматриваемом случае наибольший интерес представляет последняя особенность ПЧ, поскольку безударный подхват выбегающего двигателя позволяет избежать бросков тока при повторном включении двигателя в сеть, и, как следствие, повысить устойчивость узла электродвигательной нагрузки. Повышение устойчивости в данном случае достигается за счет снижения или полного исключения провалов напряжения, вызванных пусковыми токами двигателя. Далее более подробно будут описаны процессы, протекающие в двигателе при его выбеге.
В основе расчета электромеханических процессов электроприводов лежат их математические модели, представляющие собой системы алгебраических и дифференциальных уравнений. В зависимости от задач расчета, модели могут быть более или менее сложными. Формально сложность модели может быть оценена числом дифференциальных и иных уравнений, описывающих процессы в электроприводе [33]. Более сложными являются электромагнитные модели электроприводов, более простыми - электромеханические модели. Электромеханические модели учитывают достаточно длительные физические процессы электропривода, электромагнитные - как длительные, так и быстротекущие.
Анализ плана ООО «Тольяттикаучук» по повышению надежности электроснабжения предприятия
Ряд положений представленной работы нашел применение при выполнении работ по анализу и разработке мероприятий по повышению надежности электроснабжения и устойчивости работы электротехнической системы ООО «Тольяттикаучук» при кратковременных нарушениях электроснабжения. Ниже приводится краткое описание выполненных работ и основные их результаты.
В состав предприятия, являющимся потребителем первой категории, входит четыре завода («Изопрен», «Бутил», «Полимер», «Фильтр») по производству синтетического каучука, расположенные на одной производственной площадке и имеющие единую систему внутреннего электроснабжения. Каждый из заводов имеет в своем составе главную понизительную трансформаторную подстанцию (ГПП) с трансформаторами единичной мощности от 31 500 до 40 000 кВА. Из этих подстанций одна, ГПП-1, имеет в своем составе три трансформатора, оставшиеся три подстанции являются двухтрансформаторными. На ГПП-1 и ГПП-2 установлены двухобмоточные трансформаторы 110/6 кВ; трансформаторы ГПП-3 и ГПП-4, а также ТЗ ГПП-1 имеют расщепленные обмотки 110/6/6 кВ. Данные заводы введены в промышленную эксплуатацию более сорока лет тому назад, и в течение всего срока эксплуатации реконструкция ГПП не осуществлялась.
На некотором удалении от основной производственной площадки (около 10-12 километров) располагается площадка вспомогательного производства - водозабора. Данная площадка также имеет в своем составе трансформаторную подстанцию, состоящую из трех двухобмоточных трансформаторов. Номинальная мощность трансформаторов водозабора кВ-А. Два трансформатора имеют номинальные напряжения 35/6 кВ, один трансформатор имеет номинальные напряжения обмоток 110/6 кВ.
Электрическая нагрузка предприятия представлена в основном выпущенными в 60-х - 70-х годах прошлого века электрическими двигателями различных типов; асинхронные двигатели, синхронные двигатели и двигатели постоянного тока. Значительная часть электродвигательной нагрузки предприятия состоит из высоковольтных машин большой установленной мощности. Другой отличительной особенностью электродвигательной нагрузки следует также считать значительное число тихоходных электроприводов.
Распределительная сеть предприятия представлена 26 распределительными пунктами напряжением 6 кВ и кабельными линиями большой протяженности. К данным распределительным пунктам подключены высоковольтные электродвигатели и трансформаторные подстанции 6/0,4 кВ, к которым, в свою очередь, подключены электроприемники напряжением ниже 1000 В. Питание приводов постоянного тока осуществляется от индивидуальных тиристорных выпрямителей, подключенных к сети 6 кВ через индивидуальные трансформаторы.
По данным службы главного энергетика предприятия коэффициент загрузки трансформаторов ГПП и трансформаторных подстанций 6/0,4 кВ не превышает 42 % их номинальной мощности, что является относительно небольшой величиной.
Источником внешнего электроснабжения ООО «Тольяттикаучук» являются Жигулевские электрические сети АО «Самараэнерго». Генерирующие мощности в районе расположения ООО «Тольяттикаучук» развиты в значительной степени. Так, в непосредственной близости от предприятия расположены крупные электростанции: Тольттинская ТЭЦ (ТоТЭЦ), Волжская ГЭС (ВоГЭС), ТЭЦ ВАЗ. Указанные электростанции являются непосредственными источниками электроснабжения для предприятия.
Электроснабжение ГПП заводов ООО «Тольяттикаучук» производится в основном напряжением ПО кВ. Для питания ряда электроприемников заводов используется генераторное напряжение 6 кВ от источников ТоТЭЦ, расположенной в непосредственной близости от предприятия. Электроснабжение понизительной подстанции водозабора осуществляется как напряжением 110 кВ, так и напряжением 35 кВ.
Схема участка системы внешнего электроснабжения ООО «Тольяттикаучук» приведена на рис. 4.1. Питание трансформаторов ГПП заводов осуществляется по следующим воздушным линиям электропередачи (ВЛ) от соответствующих шин подстанций (ПС) АО «Самараэнерго». Анализ схемы внешнего электроснабжения предприятия показывает, что вне зависимости от положения секционных выключателей на подстанциях питающей энергосистемы следующие группы трансформаторов ГПП заводов являются взаимозависимыми:
Также необходимо отметить, что значительные генерирующие мощности, расположенные в непосредственной близости от предприятия, и развитость системы внешнего электроснабжения обеспечивают высокую степень резервированности источников питания и делают маловероятным одновременные длительные перерывы электроснабжения его электроприемников. При этом следует учитывать, что в ряде случаев достаточная степень надежности внешнего электроснабжения относительно длительных перерывов электроснабжения не обязательно обеспечивает необходимый уровень надежности электроснабжения относительно его кратковременных нарушений.
