Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Научно-технические проблемы повышения надежности и экономичности электротехнических комплексов горных предприятий 10
1.1 Современные проблемы проектирования и эксплуатации систем электроснабжения горных предприятий 10
1.2 Определение координат центра электрических нагрузок 15
1.3 Принципы проектирования и реконструкции систем передачи и распределения электроэнергии 21
1.4 Повышение надежности электротехнических комплексов горных предприятий 28
1.5 Цели и задачи исследований , 33
Глава 2 Определение ЦЭН с учетом режимных параметров систем внутреннего электроснабжения горных предприятий 35
2.1 Математическая модель изменения координат ЦЭН при вариации режимных параметров СЭС 35
121 Корректировка расчетной протяженности проводников ЛЭП 48
2.3 Алгоритм вычислительной процедуры при определении центра электрических нагрузок 50
2.4 Особенности определения местоположения источника питания при подземном способе добычи полезных ископаемых 57
2.5 Результаты моделирования при определении координат ЦЭН 62
2.6 Выводы к главе 2 68
Глава 3 Передача и распределение электрической энергии на поверхности горных предприятий с использованием воздушных линий с изолированными проводами 70
3.1 Анализ причин повреждений В Л горных предприятий 70
3.2 Эффективность применения изолированных проводов в ВЛ 6(10) кВ 76
3.3 Сравнительный анализ показателей надежности В Л карьеров с изолированными и неизолированными проводами 78
3.4 Сравнительный анализ показателей надежности В Л 6(10) кВ общепромышленного назначения с изолированными и неизолированными проводами в условиях Северо-Запада России 82
3.5 Грозозащита ВЛ с изолированными проводами 85
3.6 Экономическая эффективность применения ВЛ с изолированными проводами 92
3.7 Выводы к главе 3 95
Глава 4 Принципы проектирования и реконструкции электротехнических комплексов горных предприятий 98
4.1 Размещение электроподстанций на горнопромышленных предприятиях 98
4.2 Минимизация затрат на сооружение новых и реконструкцию существующих систем передачи и распределения электрической энергии 105
4.3 Проверка изолированных проводов В Л и коммутационных аппаратов напряжением 6(10) кВ по термической стойкости 107
4.4 Выбор параметров цифровых устройств защиты ВЛИ6(10)кВ 1 4.6 Разработка системы управления тепловым режимом силового трансформатора 120
4.7 Выводы к главе 4 127
Заключение 130
Список использованной литературы 135
Приложения 146
- Принципы проектирования и реконструкции систем передачи и распределения электроэнергии
- Особенности определения местоположения источника питания при подземном способе добычи полезных ископаемых
- Грозозащита ВЛ с изолированными проводами
- Проверка изолированных проводов В Л и коммутационных аппаратов напряжением 6(10) кВ по термической стойкости
Принципы проектирования и реконструкции систем передачи и распределения электроэнергии
Определение основных технических решений при проектировании сопряжено с выполнением большого объема расчетов и конструкторских разработок. В этом процессе занято большое количество инженеров-проектировщиков и изыскателей, он требует большого объема информационного материала. Широкий круг задач, как для проектировщиков, так и для эксплуатационников требует проведения специальных расчетов, моделирующих какие-то процессы в сетях или в связи с ними. Это могут быть расчеты электрических нагрузок, режимов сетей, определение мест размещения источников питания, выбор параметров оборудования и т.д. Сложность их сильно варьирует - от простейшей арифметики до решения чрезвычайно сложных физических задач, включающих решения систем дифференциальных уравнений в частных производных. Иногда могут быть высокими и требования к скорости проведения таких специальных расчетов - может потребоваться их выполнение практически в режиме реального времени.
Повышение эффективности горнопромышленного производства невозможно без комплексного анализа и учета всех взаимосвязанных технологических и геоинженерных факторов. Определяющим моментом при проектировании системы внутреннего электроснабжения является определение координат ЦЭН. Выбор типа, мощности места расположения и других параметров подстанций в основном обуславливается координатами ЦЭН, величиной и характером электрических нагрузок и размещением их на поверхности и в подземных выработках горных предприятий. На окончательный выбор указанных параметров СВЭС оказывают влияние технологические, топографические, геофизические, климатические и прочие ограничения. Следует также учитывать другие важные обстоятельства. На технологических установках шахт выделяются газ (метан), угольная пыль и аэрозоли, вредно действующие на изоляцию и токоведущие части электроустановок. Поэтому следует тщательно выбирать зону и местоположение подстанций с учетом розы ветров и преобладающего их направления. Место для открытых подстанций следует выбирать при обязательной консультации технологов и строителей. Так, например, минимальные расстояния (защитные интервалы) от открытых распределительных устройств (ОРУ) подстанций 35-220/6(10) с открытой установкой трансформаторов с нормальной изоляцией до источников возможного пылеобразования, расположенных на промплощадках шахт должны быть не менее: 100 м - до породного отвала; 50 м - до диффузоров вентиляторов, угольных складов и погрузочных пунктов для угля; 30 м - для прочих производственных сооружений.
В результате совместных проработок и согласований с технологами и строителями возможны и неизбежны отступления от теоретически наивыгоднейшего места расположения подстанции. Однако необходимо четко представлять себе последствия таких отступлений с точки зрения капитальных затрат, расхода проводникового материала и потерь энергии.
Задачи анализа эффективности эксплуатации сети, стратегического планирования развития требуют учета очень многих характеристик окружающей, промышленной, градостроительной, природной, экономической ситуации. Часто это задачи прогноза развития, анализ конкурентной ситуации, выявление тенденций. Здесь, помимо обычных задач ведения и/или использования информационной базы данных, построения обычных диаграмм, важную роль может играть картографическое представление данных и изучение методами геоинформатики пространственно-временных связей явлений, процессов и действий субъектов. Здесь могут использоваться многие классические подходы геоинформационных систем (ГИС), а также статистические методы, в том числе и специальный раздел статистики - пространственная статистика (Spatial Statistics).
Чертежные работы, сопровождающиеся расчетами, как специальными, так и расчетами потребности в материалах, оборудовании и трудозатратах - основа всех работ по созданию, содержанию и развитию сетей.
Состояние системы электроснабжения горного предприятия зависит от согласованной работы большого количества элементов, представляющих в совокупности распределенную динамическую структуру. Эффективность функционирования такой системы в значительной мере зависит от тех решений, которые были приняты при ее проектировании. Актуальность создания автоматизированной системы проектирования электроснабжения обусловлена следующими характерными чертами процесса проектирования:
- большим объемом механической работы, связанной с составлением по простым правилам таблиц нагрузок с многократным повторением однотипных расчетов;
- громоздкими вычислениями, связанными с расчетом режимов сети;
- однотипными повторяющимися вычислениями потерь электроэнергии, капитальных затрат, годовых отчислений при выполнении технико-экономических расчетов;
- значительный объем изыскательских работ на различных этапах проектирования горных предприятий не систематизируется надлежащим образом, что в последующем затрудняет его использование.
Сочетание высокой энерговооруженности участка и большой скорости продвижения горных работ приводит к значительным изменениям координат центра электрических нагрузок горного предприятия за время его эксплуатации, что требует внесения оперативных изменений в систему электроснабжения. До последнего времени в России требуемые мероприятия либо не осуществлялись, либо проводились на основе экспертных оценок - метода основанного на приближенных расчетах, интуиции и опыте проектировщика. При этом практически не удается произвести комплексной и объективной оценки всех влияющих факторов. В результате нередко выдаются технические решения, имеющие завышенные параметры оборудования: мощности трансформаторов, сечения линий электропередачи, климатического исполнения и степени защищенности оборудования, что приводит к необоснованному росту энергетической составляющей в себестоимости продукции и снижению рентабельности добычи полезных ископаемых. В данной ситуации, не имеющей аналогов ни в одной сфере производства кроме горной промышленности, имеется острая необходимость создания математических средств и комплекса аппаратно-программного обеспечения, способных поддерживать параметры системы электроснабжения горного предприятия в соответствии с динамикой развития горных работ. Задача осложнена тем, что исходная информация, необходимая проектировщику системы электроснабжения, составляется, используется и хранится на бумажных носителях. Количество таких документов исчисляется десятками: план горных работ, топографическая карта, план зданий, план коммуникаций, метеорологическая карта с указанием господствующего направления ветра и среднегодового количества осадков и т.д. Очевидно, что создание, оперативная обработка и объективный анализ столь большого массива графически привязанной информации невозможен без развитой компьютерной системы, адаптированной для решения задач такого рода.
Отставание инженерной геоинформации от потребностей действующих горных предприятий приводит к запоздалой выдаче проектных решений по корректировке порядка развития горных работ и изменению системы электроснабжения. Следует подчеркнуть, что надежное определение ряда важных инженерно-геоинформационных показателей возможно именно в период экслуатации месторождений.
Идеи автоматизации проектных работ находят все большее распространение в различных областях техники, как в России, так и за рубежом. Исследования и практическая работа на пути поиска рациональных форм проектирования показали, что для улучшения методов проектирования необходима перестройка всего процесса проектирования на базе современных AM/FM/GIS -систем (Automating Mapping / Facility Managment / Geographical Information System).
Проблемы управления развитием систем электроснабжения горным предприятием и его функционированием все более сближаются. Они должны сливаться в единую многофакторную, многоуровневую, автомагазированную систему управления: энергоресурсами (на основе принципов оптимального построения электротехнических комплексов), процессами добычи, транспортировки и переработки полезных ископаемых и контроля оборудования горных предприятий [2].
Особенности определения местоположения источника питания при подземном способе добычи полезных ископаемых
При подземном способе добычи полезных ископаемых распределение электроэнергии по выработкам осуществляется на напряжении 6(10) кВ и существует задача определения участковых понизительных подстанций (УПП) 6 / 0,4-0,66-1,14 кВ и энергетических скважин. Данная задача является комплексной и включает в себя выбор экономически целесообразных параметров сети при соблюдении требований, предъявляемых к уровню напряжения на зажимах электропотребителей.
Распределение электроэнергии от энергетических скважин и УПП к потребителям обычно осуществляется по трассам, проходящим по двум взаимно перпендикулярным осям. Это объясняется тем, что технология горных работ, предусматривает проведение горных выработок вкрест и по простиранию рудного тела или по падению и по простиранию пласта. Следовательно, в таких случаях длина ЛЭП может быть определена по формуле (2.5), то есть длина участка ЛЭП параллельного одной из осей координат равна проекции участка на эту ось, а суммарная длина линии равна сумме проекций на оси. Для такого способа прокладки линий объем проводникового материала определяется по формуле
Графическая зависимость (см. рис.2.8) показывает поведение функции объема проводникового материала (2.50) при вариациях расположения источника питания относительно ЦЭН. Характер возрастания функции (2.50) неодинаков по различным направлениям. В ЦЭН значение функции (2.50) минимально.
Условия минимума функции (2.50) выражаются системой уравнений
Участковые центры питания целесообразно размещать на капитальных горных выработках, так как обычно они поддерживаются на протяжении всего времени эксплуатации участка горных работ. При панельном способе подготовки шахтного поля с отработкой по падению пласта нижнее устье энергетической скважины может находиться в какой-либо точке, расположенной на капитальном уклоне или на какой-либо точке, расположенной на капитальном уклоне или на бремсберге (см. рис. 2.9), так как эти выработки поддерживаются в течении всего времени эксплуатации участка. В этом случае, переменной может быть лишь одна из координат ЦЭН - у. Координата х-const определяется значением координаты капитальной выработки по оси Е,.
График зависимости объема проводникового материала, необходимого для сооружения ЛЭП при такой технологии горных работ представлен на рис. (2.10)
На рис 2.10 видно, что минимум функции (2.38) находится в точке у, то есть при расположении источника питания в ЦЭН участка. Таким образом условие минимума функции (2.50) определится уравнением
Алгоритм вычислительной процедуры для определения координат расположения источника питания при подземном способе добычи полезных ископаемых имеет вид аналогичный представленному в п.2.3. при ограничении % = coast.
Грозозащита ВЛ с изолированными проводами
Прямой удар молнии в ВЛ 6(10) кВ явление крайне редкое, т.к. эти ВЛ экранируются лесом , застройкой, трубами, ВЛ 110 кВ и выше. При прямом ударе в провода ВЛ или в опору неизбежны очень серьезные повреждения: пережог провода, повреждение изоляции, элементов опоры и ее заземления. Причина - параметры молнии: амплитуда перенапряжений достигает нескольких миллионов вольт (нескольких тысяч киловольт), а ток молнии - сотен кА.
При грозе наиболее вероятно наведенное (индуцированное) перенапряжение на проводах ВЛ при грозовых разрядах на землю вблизи воздушных линий.
Разность потенциалов между проводом и траверсой опоры приведет к перекрытию на траверсу. Импульсный наведенный ток при прохождении через сопротивление опор и заземлителя вызывает на элементах опоры очень высокий потенциал, который приведет к обратному перекрытию с опоры на другую фазу.
Все это происходит практически мгновенно (мкс), столь сильно ионизируя зону вблизи изоляторов, что неизбежен переход импульсного фазного замыкания в междуфазное. По ионизированному пути импульсного разряда загорится силовая дуга рабочего напряжения линии. При устойчивом горении этой дуги линия будет отключена релейной защитой (через доли секунды).
При определенных условиях переход импульсного перекрытия в устойчивую дугу короткого замыкания может не произойти.
Основными факторами, определяющими возможность устойчивого горения дуги, являются:
соотношение рабочего и безопасного градиентов напряжения вдоль пути перекрытия;
скорость восстановления напряжения (это подтверждается экспериментом и опытом эксплуатации ВЛИ).
Рабочий градиент напряжения определяется по формуле, кВ/м: где: UM - максимальное значение рабочего напряжения, кВ; Ьиз - длина пути перекрытия по изоляции, (изоляция провода, фарфор (стекло) изолятора, воздух), м.
Величина рабочего градиента определяет количество энергии, поступающей в силовую дугу из сети. Безопасный градиент напряжения, при котором вероятность перехода импульсного перекрытия в силовую дугу очень мала, устанавливается экспериментальным путем. Величина безопасного градиента зависит от среды, в которой горит дуга.
Так при горении дуги в воздухе или на поверхности фарфора величина безопасного градиента Еб = 10 кВ/м, а при горении вдоль поверхности древесины Еб = 15-7-20 кВ/м.
Исследования показали, чем больше отношение Ер/Еб, тем больше вероятность перехода импульсного перекрытия в устойчивую силовую дугу (на линиях с металлическими опорами, где Ер/Еб = 7, отключения происходят часто, на ВЛ ПО кВ с деревянными опорами, где Ер/Еб = 2, отключения наблюдаются значительно реже, ВЛ 35 кВ с деревянными опорами отключаются чрезвычайно редко, т.к. для них Ер/Еб » 1 ). Очевидно, что эта закономерность справедлива и для ВЛИ 6(10) кВ [ВМГЬ
Для В Л 6(10) кВ данных по Ер/Еб нет. При необходимости величина Еб для различных типов опор и изоляторов устанавливается экспериментальным путем.
В соответствии с [81] грозозащита воздушных линий 6(10) кВ с неизолированными проводами не предусматривается. Известные методики проведения экономических расчетов, выполняемых при проектировании ВЛ 6(10) кВ, никогда раньше, да и сейчас, не предусматривают учет экономического ущерба от недоотпуска электроэнергии потребителям (так называемая упущенная прибыль) из-за отключений, вызванных грозовыми перенапряжениями. Такова была практика подхода к проектированию ВЛ в нашей стране. Однако, на предприятиях горной промышленности недоотпуск электроэнергии оборачивается значительным убытком. Один из путей уменьшения убытков предприятий - повышение надежности и обеспечение бесперебойности работы ВЛ.
В Финляндии, Швеции, Норвегии, США, Японии и других странах грозозащита В Л 6(10) кВ экономически оправдана и выполняется на участках ВЛ или по всей длине в зависимости от требования потребителя к надежности электроснабжения.
В России с 1996 г. в соответствии с [80] на ВЛ с изолированными проводами напряжением 6(10) кВ должны быть установлены устройства защиты проводов от грозовых перенапряжений:
в зонах со среднегодовым числом грозовых часов не менее 80 при прохождении ВЛИ по открытой и высокой местности;
при прохождении ВЛИ вдоль дорог и спортивных трасс, в местах пересечений с ними;
в населенной местности;
грозозащита подходов ВЛИ к подстанциям должна выполняться в соответствии с [81].
Рассмотрим известные системы грозозащиты ВЛ 6(10) кВ с изолированными проводами. В США [126] предложено для грозозащиты ВЛ с изолированными проводами удалять твердую изоляцию на участке линии вблизи опоры, а на границе изоляции устанавливать массивные зажимы.
При перенапряжении происходит грозовое перекрытие изолятора на неизолированный участок провода. Это перекрытие переходит в силовую дугу, которая под действием электродинамических сил перемещается по проводу до тех пор, пока не дойдет до границы изоляции, на которой установлен массивный зажим. Далее дуга не перемещается и продолжает гореть, опираясь одним из своих концов на зажим , до тех пор пока линия не будет отключена. В случае системы с заземленной нейтралью (как, например, в США) токи к.з. весьма велики и автоматика относительно быстро реагирует на к.з. и отключает поврежденную линию. Однако происходит значительное обгорание зажимов, что определяет необходимость их периодической замены. Кроме того, образование силовой дуги приводит к необходимости отключения линии [60]. Удаление твердой изоляции на участке вблизи опоры может являться причиной коррозии элементов ВЛИ, связанных с этим отказов, и повышения трудоемкости сооружения ВЛИ. Однако из-за использования в сетях напряжением 6(10) кВ системы с изолированной нейтралью для России такая защита от грозовых перенапряжений является неприемлемой.
В Финляндии для грозозащиты используется система, обеспечивающая возникновение при грозовых перенапряжениях двухфазного к.з.. [78]. Вблизи опоры поверх изоляции проводов навиваются металлические спирали и устанавливаются искровые разрядники в виде жестких металлических проводников (рогов). При перенапряжении происходит однофазное перекрытие на землю и образуется дуга, которая перемещается по металлической спирали, навитой поверх изоляции провода. Под действием электродинамических сил дуга переходит на рог и далее перекидывается на расположенный вблизи (на расстоянии, примерно 30ч-40 см) рог средней фазы. Таким образом однофазное к.з. переводится в двухфазное. Дуга двухфазного к.з. горит между рогами до тех пор, пока ЛИНИЯ не будет отключена, чтб приводит к значительному обгоранню рогов. Поэтому необходима их периодическая замена. Кроме того, двухфазные к.з. создают сильные электродинамические воздействия на обмотки трансформаторов, что приводит к ускоренному износу их изоляции и всего оборудования в целом. Частые коммутации увеличивают также затраты на профилактические ревизии коммутирующего оборудования.
В Японии [128] широкое распространение для грозозащиты воздушных линий получили нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН) (см.рис.3.3). Более 1 млн. штук уже установлено в энергосистемах и 5 млн. штук планируется установить в будущем. Учитывая опыт Японии и достижения России в области производства ОПН, в работе рекомендуется производить грозозащиту ВЛ с изолированными проводами при помощи ОПН, устанавливаемых в грозоопасных зонах и местах, определяемых [81]. Схема защиты ВЛ приведена на рис. 3.3 ,где обозначено: 1 - провод, 2-изояяция, 3 - изолятор, 4 - опора, , 5- ОПН, 6 -грозовое перекрытие.
Принцип действия ОПНа основан на преобразовании электрической энергии в тепловую. При перенапряжении возрастает активная составляющая тока утечки через ОПН за счет высокой нелинейности составляющих его варисторов. По сравнению с разрядниками ОПНы имеют более стабильные характеристики, т.к. они определяются только вольт-амперной характеристикой варистора, а не характеристикой зажигания искрового промежутка.
Проверка изолированных проводов В Л и коммутационных аппаратов напряжением 6(10) кВ по термической стойкости
На основании повышенного процента ошибки, заложенного в самом методе расчета, обеспечивающего отклонение в сторону превышения сечения, по расчетному сечению Smin жилы изолированного провода выбирают ближайшее меньшее стандартное сечение [33].
Так как системы электроснабжения горных предприятий 6(10) кВ имеют централизованное питание от энергосистемы и значительно удалены от источников питания, периодическая составляющая тока к.з. практически не затухает, значение tn может приниматься равным времени протекания тока к.з. [33]
Чем мощнее ПС 110(35)/6(10) кВ, тем меньше сопротивление ZT И тем больше К3)к.тах на шинах 6(10) кВ ПС и ВЛИ 10 кВ.
Для мощных ПС 110(35)/6(10) кВ значение К3)к.тах вблизи шин 6(10) кВ может быть настолько велико, что выбранное сечение окажется нетермоустойчивым.
Если все же выбранный изолированный провод не проходит по проверке на термическую стойкость, то надо или увеличивать сечение провода или уменьшать время срабатывания релейной защиты за счет использования совместно с максимальной токовой защитой (МТЗ) токовой отсечки (ТО).
Токовая отсечка, построенная на электромеханических реле, может использоваться, при определенных условиях (см. п. 3.2.26 [81]), в качестве дополнительной защиты совместно с максимальной токовой защитой (МТЗ). Отсечка действует без выдержки времени (tp3. = 0) и защищает только часть зоны, защищаемой МТЗ, но зато быстро отключает самые большие и опасные для изолированных проводов токи к.з. (вблизи ЭПС).
Для электротехнических комплексов горных предприятий характерно наличие значительной двигательной нагрузки. Ток подпитки точки к.з. от электродвигателей может составлять значительную часть от суммарного тока в точке короткого замыкания. Поэтому оценка термической стойкости изолированных проводов ВЛ и коммутационных аппаратов должна проводиться с учетом двигательной нагрузки.
Расчет тока к.з. с учетом двигательной нагрузки производится методом наложения в соответствии с расчетной схемой на рис.4.2. При учете подпитки т.к.з. от синхронного двигателя (СД) на расчетной схеме замещения он представляется как источник э.д.с, равной сверхпереходной э.д.с. Еу/, с сопротивлением, равным сверхпереходному сопротивлению по продольной ОСИ X;/d.
В этом случае начальное значение периодической составляющей тока к.з. двигателя, равное переходной составляющей тока внезапного симметричного, трехфазного к.з. К3 д определяется из выражения Д3) = Е11 jx"„ .
Для СД напряжением свыше 1 кВ величина Е;/ принимается равной 1,1 о.е. В качестве базисной величины используется номинальное напряжение двигателя. Однако найденный таким образом ток может значительно отличаться от фактического максимального значения в предельном режиме использования двигателя.
При учете подпитки т.к.з. от асинхронного двигателя (АД) э.д.с. Е;/ принимается равной 0,9 о.е., а индуктивное сопротивление x//d = 1/кш, где кш - кратность пускового тока АД.
Начальное значение периодической составляющей тока к.з. от эквивалентного источника питания определяется как
Как показано в [1J, а = /\п/Тд3,І( /і//), т.е. определяется соотношением длительности процесса к.з. tn и эквивалентной постоянной времени Тдэ затухания периодической составляющей тока подпитки, а также в зависимостью доли участия тока К3)дэ в результирующем токе Vі в начальный момент к.з и может быть представлена в виде полинома
С использованием (4.18) и (4.20) определяется величина теплового импульса тока к.з. с учетом подпитки точки к.з. от двигателей напряжением свыше 1 кВ в виде
Оценка реального диапазона изменения а для предприятий горнодобывающей промышленности показала, что подпитка т.к.з. может приводить к увеличению импульса квадратичного тока к.з. на 30%: Полученные зависимости позволяют обоснованно учесть при проверке проводов ВЛИ на термическую стойкость и выборе времени срабатывания защиты увеличение импульса квадратичного тока к.з. из-за подпитки т.к.з. электродвигателями.