Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Разработка методики расчетов режимов в системах электро снабжения, содержащих замкнутые контуры 32
1.1. Обзор методов расчета режимов электрических сетей . 32
1.2. Моделирование системы электроснабжения и её режимов 37
1.2.1. Особенности моделирования режима трехфазного КЗ 50
1.2.2. Особенности моделирования режима несимметричных КЗ 51
1.3. Модернизация комплекса программ для расчета режимов систем электроснабжения, содержащих замкнутые контуры 56
1;4.Выводыпо главе 66
Глава 2. Исследование динамической устойчивости систем электроснабжения при внешних трехфазных КЗ в электрических сетях высокого напряжения
2.1. Выбор и обоснование расчетной схемы системы электроснабжения для исследования устойчивости непрерывных технологических процессов при кратковременных нарушениях электроснабжения 68
2.2. Выбор основных факторов, определяющих границы области динамической устойчивости СЭС 76
2.3. Исследование влияния характера промышленной нагрузки на динамическую устойчивость СЭС 81
2.4. Исследование влияния электромеханических постоянных времени на динамическую устойчивость СЭС 92
2.5. Исследование влияния коэффициентов загрузки двигателей на динамическую устойчивость СЭС. 95
2.6. Исследование влияния типа приводного механизма на динамическую устойчивость СЭС 99
2.7. Исследование влияния удаленности места КЗ на динамическую устойчивость СЭС 101
2.8. Исследование влияния параметров питающей сети на динамическую устойчивость СЭС 106
2.9. Исследование влияния коэффициента мощности СД на динамическую устойчивость СЭС 108
2.10. Выводы по главе 11.1
Глава 3. Исследование динамической устойчивости систем электроснабжения при внешних трехфазных КЗ в электрических сетях среднего напряжения 113
3.1. Исследование влияния характера промышленной нагрузки на динамическую устойчивость СЭС 113
3.2. Исследование влияния параметров электропривода на динамическую устойчивость СЭС 119
3.3. Исследование влияния удаленности места КЗ на динамическую устойчивость СЭС 121
3.4. Исследование влияния параметров питающей сети на динамическую устойчивость СЭС 127
3.5. Исследование динамической устойчивости систем электроснабжения 128
при КЗ в сетях до 1кВ
3.6. Выводы по главе. 132
Глава 4. Исследование динамической устойчивости систем электроснабжения при внешних несимметричных КЗ 134
4.1. Исследование динамической устойчивости СЭС при КЗ на землю в сетях высокого напряжения . 134
4.2. Исследование динамической устойчивости СЭС при между фазных КЗ. 150
4.3. Выводы по главе 156
Глава 5. Вопросы оптимизации и устойчивости системы электроснабжения ОАО «Аммофос» при расширении заводской электростанции 159
5.1. Описание объекта исследования 159
5.2. Исследование вариантов электроснабжения ОАО "Аммофос" после планируемой реконструкции 161
5.3. Оценка устойчивости принятой системы электроснабжения ОАО "Аммофос" после планируемой реконструкции 173 .
Заключение 180
Список использованных источников 185
Приложение. 193
- Обзор методов расчета режимов электрических сетей
- Выбор и обоснование расчетной схемы системы электроснабжения для исследования устойчивости непрерывных технологических процессов при кратковременных нарушениях электроснабжения
- Исследование влияния характера промышленной нагрузки на динамическую устойчивость СЭС
- Исследование динамической устойчивости СЭС при КЗ на землю в сетях высокого напряжения
Введение к работе
Важной задачей развития электроэнергетики является повышение надежности электроснабжения промышленных предприятий, основными потребителями которых являются электрические двигатели переменного тока. В настоящее время во всех отраслях происходит техническое перевооружение производства, создается новое оборудование, позволяющее получить большую производительность, широко внедряются непрерывные технологические процессы, большее внимание уделяется вопросам экономии энергетических и материальных ресурсов. Все технологические комплексы требуют надежного электроснабжения, обеспечивающего необходимые качественные показатели электрической энергии. Естественно, при отсутствии качественного и бесперебойного электроснабжения электрической энергией даже самое современное технологическое оборудование не сможет выполнять свои функции.
Обзор методов расчета режимов электрических сетей
В настоящее время бурно развиваются информационные технологии, возрастает мощность и возможности компьютерной техники, развиваются средства связи, компьютеры решают все более разнообразные задачи. Основная цель компьютеризации - повышение эффективности труда, уменьшение трудозатрат.
В электроэнергетике использование современной компьютерной техники и информационных технологий развивается в нескольких основных направлениях, одно из которых, это усовершенствование программ для расчетов режимов работы систем электроснабжения.
Параметры систем электроснабжения определяются как установившимися режимами, так и в, значительной степени, переходными процессами. Применительно к системам промышленного электроснабжения особую значимость имеют переходные процессы, обусловленные электродвигательной нагрузкой [19,20,24]. Без применения компьютеров невозможно с приемлемой скоростью и точностью просчитать и проанализировать режим работы системы, который зависит от большого числа факторов. Решение таких задач как выбор и проверка электрических аппаратов и проводников по условиям работы при КЗ; выбор параметров устройств релейной защиты и противоаварийной автоматики; анализ процессов пуска и. самозапуска двигателей и др. традиционно базировалось на расчетно-экспериментальных исследованиях переходных процессов,
В результате увеличения возможностей компьютерной техники, ужесточения требований к обеспечению непрерывности технологических процессов современных производств, внедрения новых быстродействующих видов защит и устройств автоматики, увеличения единичной мощности двигателей переменного тока происходит непрерывное совершенствование программ для исследований переходных процессов в системах промышленного электроснабжения с электродвигательной нагрузкой переменного тока.
ЭВМ начали использоваться для расчетов электрических режимов практически одновременно с их появлением [61]. К началу 90-х годов были теоретически и практически решены большинство вопросов, связанных с расчетами нормальных и переходных процессов. Были созданы программные комплексы для таких расчетов.
Основные программные комплексы имеют как индивидуальные особенности, так и ряд общих черт. К общим признакам можно отнести традиционную ориентацию исходных данных на их текстовое представление. Для расчетов используется однолинейная схема замещения системы внутреннего электроснабжения.
При этом общая схема замещения системы электроснабжения, включая электрическую систему, представляет собой совокупность схем замещения отдельных элементов сети, соединенных в последовательности, соответствующей подключению в электрической сети. Каждая ветвь имеет свой признак.
Для расчета переходных процессов в энергосистемах России и СНГ наиболее широко применяется отечественная программа «МУСТАНГ» [35], SAD [40], «АНАРЕС-2000» , за рубежом - программа ЕМТР [80]..
Для расчета режимов систем электроснабжения и переходных процессов в них широко используются матричные методы теории электрических цепей [12,37,44,45,49,57,63].
В некоторых случаях для расчета установившегося режима работы удается избежать применения матричных методов расчета электрических цепей, в частности, например за счет использования метода свертки схемы, имеющего место в программном комплексе SAD.
Разработанные алгоритмы включают два основных этапа: анализ состояния электрической цепи и анализ электромеханических процессов электроприводов. Этапы связаны между собой посредством скольжений асинхронных двигателей и углов нагрузки синхронных двигателей. Изменения скольжения АД и угла нагрузки СД приводят к изменениям расчетных комплексных сопротивлений, что влечет за собой изменение параметров расчетной электрической цепи [50]. Использование этого метода возможно при условии, что схема внутреннего электроснабжения имеет древовидную структуру, один источник ЭДС и не имеет замкнутых контуров. Существенным недостатком этого метода является необходимость свертки на каждом шаге интегрирования.
В большинстве случаев при моделировании электромеханических переходных процессов при возмущениях в электротехнической системе все программные комплексы используют матричные методы расчета.
Это обуславливается тем, что при КЗ параметры двигателей и генераторов не остаются постоянными, необходимо рассчитывать ток в узле КЗ и учитывать влияние тока КЗ на напряжение в узлах нагрузки на каждом шаге интегрирования. Режим отключения от системы вообще исключает использование метода свертки.
Наиболее адекватным методом расчета переходных процессов в системе электроснабжения является метод узловых напряжений. Процедура формирования уравнений в нем наиболее экономична по вычислительным затратам, а сами уравнения характеризуются свойствами, гарантирующими получение устойчивого решения на каждом шаге дискретизации, с тем чтобы обеспечивалась заданная точность расчета переходного процесса на длительных интервалах времени. Этот метод универсален, наиболее простой для машинной реализации за счет процедуры формирования уравнений, которые обеспечивают высокую скорость сходимости наиболее распространенных методов численного решения алгебраических систем.
Выбор и обоснование расчетной схемы системы электроснабжения для исследования устойчивости непрерывных технологических процессов при кратковременных нарушениях электроснабжения
Как показывает практика эксплуатации, полностью исключить аварии в системе электроснабжения и связанные с этим перерывы питания в связи , с большим количеством используемого электрооборудования и аппаратуры, большой протяженностью сетей и т.д. не представляется возможным.
Поэтому на первом этапе целесообразно провести расчеты устойчивости электрической нагрузки для типовых схем электроснабжения промышленных предприятий, с целью выделить основные факторы, влияющие на результирующую устойчивость системы, и решения конкретных задач по разработке мероприятий, обеспечивающих непрерывность технологических процессов при кратковременных нарушениях электроснабжения, возникающих как в самой энергосистеме, так и в системе внутризаводского электроснабжения.
Для исследования были выбраны типовые схемы электроснабжения промышленных предприятий от главной понизительной подстанции, питающейся от шин подстанции электрической системы по воздушной линии ПО. кВ. Напряжение внутреннего электроснабжения 10 кВ. Для моделирования внешних КЗ в сети энергосистемы, вызывающих КНЭ в сети внутризаводского электроснабжения, служит отходящая от подстанции электрической системы воздушная линия ПО кВ. Для моделирования КЗ в системе внутризаводского электроснабжения предусмотрены кабельные линии, отходящие от распределительных устройств (РУ). Схема электроснабжения менялась в зависимости от мощности установленных на ГПП трансформаторов.
Расчеты проводились для трех основных вариантов нагрузки: преобладающей асинхронной, синхронной и прочей (недвигательной).
Внутреннее электроснабжение выполнено по схеме двухступенчатых распределительных устройств. РУ ГПП - это РУ первого уровня, от которого питаются РУ второго уровня. На каждой из секций РУ имеется синхронная двигательная нагрузка (СД), асинхронная двигательная нагрузка (АД) и прочая (недвигательная) нагрузка. На РУ первого уровня установлены СД с массивным ротором, а на РУ второго уровня - СД с шихтованным ротором. В качестве АД приняты высоковольтные АД с короткозамкнутым ротором.
Для отображения низковольтной нагрузки (до 1 кВ) в схеме СЭС имеется цеховая двухтрансформаторная подстанция (ЦТП) 10/0,4 кВ (5ном=Ю00 кВА). Преобладающая нагрузка ЦТП — асинхронная двигательная.
Низковольтная АД нагрузка представлена в виде эквивалентного двигателя с параметрами\РН0М = 315 кВт; ис = 1500 об/мин; г[ном =0,8; coscpHOM=0,88; Мп=1,2; Л/мах=2,5; /п=7; 7j=3,6c. Помимо электродвигательной нагрузки к каждому из трансформаторов ЦТП подключена прочая нагрузка ,,= 3704-7135 кВА..
Для базового варианта преобладающей СД нагрузки принято, что на каждой секции РУ ГПП (РУ 1) подключены: - синхронный двигатель с массивным ротором с параметрами Рнш= 6,3 МВт; Чшм= 0,976; cos pB0M = 0,9; Мп= 1,62; Мш= 1,65; Ммах= 1,65; /„= 6,28; Кф=1,6; //=0,137 кВ; /,-=0,253 кА; - асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором с параметрами Рном= 0,63 МВт; пном = 3000 об/мин; coscpHOM = 0,89; г\тм = 0,953; sHOM=0,007;/n= 5,7; Mi =0,85; Ммах .=2,4.
На каждой секции РУ-2 подключены: - синхронный двигатель с шихтованным ротором с параметрами Рном= 6,3 МВт; п„ом= 0,971; cosq H M = 0,9; Л/п= 1,4; Мвх = 1,3; Ммах = 1,9; /д= 7,0; Кф=1,б; //=0,065 кВ; //=0,44 кА; - асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором с параметрами Ртм = 0,63 МВт; п„ом.= 3000 об/мин; cos pH0M = 0,89 тном = 0,953; silOM=0,009; 1и 6,5; Мп -1,3; Ммах =2,5.
Для базового варианта преобладающей АД нагрузки принято, что на каждой секции РУ ГПП (РУ1) подключены: - синхронный двигатель с массивным ротором с параметрами Ршм = 0,63 МВт; т)ном = 0,96; cos9HOM= 0,9; Мп= 2,03; Л/вх= 1,19; Ммах= 1,65; / =5,66 =1,6 =0,031 7/=0,247 - асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором с параметрами .Риом = 6,3 МВт; пном = 3000 об/мин; cos(p!IOM = 0,9; нном = 0,976; Яном=0,006; /П = 5,9; Мп =1,0; Ммах =2,4. На каждой секции РУ-2 подключены: - синхронный двигатель с массивным ротором с параметрами РНОМ = 0,63 МВт; rjH(№i= 0,946; cos pBOM = 0,9; Мп= 1,0; М = \&Ммах = 1,9; /„ = 6,0; Кф=1,6; //=0,047 кВ; //=0,127 кА; - асинхронный двигатель с короткозамкнутым. ротором с параметрами Риш = 6,3 МВт; п„ом= 3000 об/мин; costpH0M= 0,9; "ПНОм= 0,976; 5НОМ=0,006; /п= 5,9; Мп -1,0; Ммах =2,4...
Для базового варианта преобладающей прочей нагрузки принято, что на каждой секции РУ ГПП (РУ1) подключены: - прочая нагрузка Snp= 5,67+/4,54 MBA; - синхронный двигатель с массивным ротором с параметрами Люм= 0,63 МВт; г]ном = 0,96; cos(p„0M = 0,9; Мп= 2,03; Мвх= 1,19; Ммах= 1,65; /п= 5,66; Кф=1,6; //=0,031 кВ;7/=0,247 кА; - асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором с параметрами Рном= 0,63 МВт; пном= 3000 об/мин; coscpHOM = 0,89 т)ном= 0,953; я„ом=0,007; h = 5,7; Мп =0,85; Ммах =2,4.
На каждой секции РУ-2 подключены: - прочая нагрузка Sup= 5,67+/4,54 MBA; - синхронный двигатель с массивным ротором с параметрами Рнон= 0,63 МВт; лном = 0,946; cos pHOM = 0,9; Мп= 1,0; Мъх= 1&Ммах= 1,9; /п = 6,0; Кф=1,6; //=0,047 кВ; =0,127 кА; - асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором с параметрами P„0M= 0,63 МВт; пном= 3000 об/мин; cosq HOM= 0,89 гном= 0,953; „ом=0,009; /п= 6,5; Мп.=1,3; Ммах =2,5.
Помимо электродвигательной нагрузки к каждому РУ подключена прочая нагрузка Sup — 250+/100 кВА.
Удаленность СД (АД) от РУ принята /=200 м (/=300 м). Сечение кабелей в цепи СД и АД выбиралось в соответствии с их номинальной мощностью. Сечение воздушной линии электропередачи выбиралось в зависимости от мощности трансформатора ГПП. Удаленность РУ второго уровня и ЦТП принята равной /=1000 м. Коэффициент загрузки трансформаторов ГПП в нормальном режиме составляет К3=0,55-0,8.
На рис. 2Л и 2.2 представлена схема системы электроснабжения для ГПП с трансформаторами 2x16 МВА и схема замещения с разметкой, необходимой для подготовки файла исходных данных.
Исследование влияния характера промышленной нагрузки на динамическую устойчивость СЭС
Рассмотрим влияние характера промышленной нагрузки на динамическую устойчивость СЭС при трехфазном КЗ на шинах РУ ГПП. В качестве места КЗ рассматривалась отходящая от шины ГПП кабельная ЛЭП (узел 22 на схеме рис.2.2.).
Расчеты выполнялись для вариантов преобладающей асинхронной и синхронной двигательной нагрузки.
Для варианта преобладающей СД нагрузки (Рсд 0)8Рнагр) расчеты проводились при следующих исходных данных: кздв=0,9; со8(рсд=0,9 (опережающий); электромеханические постоянные двигателей 7}дв=3 с; ток короткого замыкания на шинах системы / =5кА; длина питающих линии /=10 км. Критическое время нарушения электроснабжения в этом случае составило
На рис.3.1 представлена осциллограмма, соответствующая режиму КЗ в узле 13 схемы замещения. На рис.3.1 РАДІ, и Рсці мощности на выводах двигателей, подключенных к шинам 11111, Рддз и РСдз - мощности на выводах двигателей, подключенных к РУ; 5 и s - угол нагрузки СД и скольжение АД соответственно.
На рис.3.2 представлена; осциллограмма, соответствующая режиму после восстановления электроснабжения, с сохранением динамической устойчивости, при длительности КЗ tK2=tKp. На рисЗ.З представлена расчетная осциллограмма при большей длительности КЗ с потерей динамической устойчивости.
Для варианта преобладающей СД нагрузки при КЗ двигатели переходят в генераторный режим, причем генерируемая в сеть реактивная мощность намного меньше активной. Сказанное объясняется тем, что индуктивное сопротивление кабельных линий в несколько раз меньше активного. Напряжение на шинах ГГШ практически равно 0. Двигатели, подключенные к РУ второго уровня, генерируют в сеть активную мощность, большую, чем двигатели, подключенные к шинам РУ ГГШ.
В данном случае устойчивость СЭС определяется устойчивостью СД, подключенного к РУ-2, поскольку угол нагрузки 6 этого СД растет быстрее за счет большего генераторного (тормозного) момента, обусловленного активным сопротивлением цепи КЗ.
После восстановления электроснабжения наброс мощности на трансформатор ГПП (Smu=l б МВА) составляет Pi/=42,75 МВт, Q} 1=22,36 Мвар, а напряжение на шинах ГПП U3=0,59UH0M (рис.3.2). Переходный процесс носит колебательный характер, причем в отдельные моменты времени (t=0,4 с) активная мощность ввода меняет направление.
Причиной нарушения динамической устойчивости является выпадение из синхронизма СД. После восстановления электроснабжения двигатель продолжает тормозиться, угол нагрузки увеличивается, что приводит к выпадению двигателя из синхронизма. Возникает асинхронный режим работы двигателя.
В случае нарушения динамической устойчивости системы (рис.3.3) переходные процессы имеют незатухающий колебательный характер. Реактивная мощность на вводе колеблется от Qu=\S до 32 Мвар. Напряжение t/j колеблется в противофазе с реактивной мощностью от 0,45 /ном до 0,9f/HOM. Активная мощность на вводе Р}{ изменяется от -3 до 40 МВт.
Для варианта преобладающей АД нагрузки (pAfl 0,8PSHarp) расчеты проводились при тех же параметрах, что и для преобладающей синхронной нагрузки. Критическое время нарушения электроснабжения в этом случае составило Кр—0,14 с.
Переходный процесс при КЗ преобладающая АД нагрузка Для варианта преобладающей АД нагрузки при КЗ двигатели переходят в генераторный режим, однако мощность, генерируемая СД в относительных единицах, меньше, чем для варианта преобладающей СД нагрузки.
Исследование динамической устойчивости СЭС при КЗ на землю в сетях высокого напряжения
Несимметричные КЗ являются наиболее частой причиной нарушения электроснабжения в сетях питающего напряжения. Подавляющее число КЗ связано с замыканием на землю, причем наиболее велика вероятность возникновения одно- и двухфазных КЗ на землю. Согласно статистике « 70% повреждений в воздушных сетях 110 кВ приходится на однофазные КЗ, »20% -на двухфазные на землю. Это обуславливается рядом объективных и субъективных причин: удары молнии, загрязнение изоляции, механические повреждения опор, касание проводов посторонними предметами, ошибочные действия оперативного и ремонтного персонала и т.п.
Если с точки зрения динамической устойчивости системы наиболее тяжелым является трехфазное КЗ, то несимметричные КЗ случаются гораздо чаще и могут привести к нарушению динамической устойчивости системы.
Наиболее тяжелым видом КЗ на землю с точки зрения возможности потери динамической устойчивости является двухфазное КЗ на землю, т.к. при однофазном КЗ в цепи питания объекта две фазы электрической сети остаются неповрежденными, и сохраняется связь с электрической системой.
Расчет несимметричных КЗ осуществляется на основе теории симметричных составляющих прямой, обратной и нулевой последовательностей. Установленные у синхронной машины устройства автоматического регулирования возбуждения независимо от их конструкции реагируют только на напряжение прямой последовательности.
При анализе влияния провалов напряжения, вызванных несимметричными КЗ, на работу электродвигателей необходимо прежде всего обратить внимание на составляющие прямой и обратной последовательности напряжения, поскольку они определяют вращающий момент электродвигателей.
Электрические сети 110(220) кВ, имеющие эффективно заземленные нейтрали трансформаторов, относятся к сетям с большими токами замыкания на землю. Заземляют при этом, как правило, не все нейтрали обмоток силовых трансформаторов, а только часть. Число заземленных нейтралей устанавливается расчетами и принимается минимально необходимым в целях ограничения токов однофазного замыкания на землю и облегчения условий работы выключателей, достижения определенной чувствительности защит. В результате в зависимости от числа заземленных нейтралей трансформаторов, величина однофазного тока замыкания на землю изменяется в больших пределах и может принимать значения, равные току трехфазного замыкания на шинах электрической системы.
Определим минимальное время, при котором происходит нарушение динамической устойчивости, и оценим влияние тока однофазного КЗ на шинах электрической системы на критическое время нарушения электроснабжения.
На рис.4Л. приведены зависимости критического времени нарушения электроснабжения от сопротивления электрической системы (тока трехфазного замыкания на шинах электрической системы) и тока однофазного КЗ на землю электрической системы при КЗ за выключателем отходящей от шин электрической системы ЛЭП 110 кВ.
Расчеты проведены для варианта преобладающей СД нагрузки (Рісд 0)8РашГр) при следующих исходных данных: кздв=0,9; со$фсд=0,9 (опережающий); электромеханическая постоянная двигателей TjAB 3 - с; длина питающих линий /=10 км.
Как видно из рис.4.1, величина тока однофазного замыкания на землю оказывает значительное влияние на критическое время нарушения электроснабжения. При увеличении сопротивления электрической системы, определяемого током трехфазного КЗ на ее шинах, и увеличении значения тока однофазного замыкания на землю при близких к шинам электрической системы КЗ появляется возможность нарушения технологического процесса вследствие нарушения динамической устойчивости СД: Такие КЗ должны отключаться 1-ой ступенью земляной защиты линии 110 кВ за время /рз= 0,2-0,3 с.
