Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Особенности систем электроснабжения металлургических производств и подходов к обеспечению надежной работы электропотребителей 13
1.1. Проблемы повышения надежности электроснабэ/сения предприятий с большим числом подстанций напряэ/сением 110 кВ 14
1.2. Электропотребители и схема электроснабжения электросталеплавильного производства 19
1.3. Электропотребители сортопрокатного производства 23
1.4. Обеспечение надежного и качественного электроснабжения -потребителей в условиях действующих производств металлургических предприятий 29
1.4.1. Существующие решения по схемам ГПП 330 кВ предприятий 31
1.4.2. Существующие решения по схемам подстанций ПО кВ предприятий 32
1.4.3. Особенности схем ПС 10(6) кВ металлургических предприятий 37
1.5. Выводы по главе 1 40
Глава 2. Математическая модель системы электроснабжения оэмк и основные уравнения ра с чета оста то чных напряжений в узлах нагрузки при КЗ 42
2.1. Основные допущения, принимаемые при анализе переходных процессов в системах электроснаблсения металлургических предприятий 42
2.2. Система координат для записи дифференциальных уравнений переходных процессов СД и АД. 43
2.3. Уравнения переходных процессов в СД и АД для расчета аварийных режимов работы 46
2.4. Методика оценки провалов напряжения в замкнутой распределительной сети напряжением 6-10 кВ предприятия 57
2.5. Программный комплекс TKZZK и математическая модель системы электроснабжения ОЭМК для исследования провалов напряжения 65
2.6. Выводы по главе 2 77
Глава 3. Определение критической длительности кз для существ ующей и предлагаемых схем системы электро снабжения ОЭМК 78
3.1. Определение критической длительности для сугцествующеи системе электроснабжения ОЭМК при КЗ в самых тяжелых случаях 78
3.2. Определение критической длительности при КЗ в энергосистеме ОЭМК и отключенной ВЛ-500 кВ «Металлургическая-750» - «Старый Оскол» 100
3.3. Определение критической длительности при КЗ в энергосистеме и одновременном отключении ВЛ-500 кВ ПС «Металлургическая-?'50» -ПС «Старый Оскол» и ВЛ-110 кВ РП «Голофеевка» - ПС «Старый Оскол» 101
3.4. Определение критической длительности при КЗ в энергосистеме для случая одновременного отключения ВЛ-500 кВ ПС «Металлургическая-750» - ПС «Старый Оскол» и секционного выключателя СВ-330 кВ 103
3.5. Определение критической длительности при КЗ энергосистеме и отключении ВЛ-500 кВ «Металлургическая-750» - «Старый Оскол», СВ-330 кВиСВ-ЦОкВ 104
3.6. Режимы работы и определение критической длительности КЗ при отключении автотрансформатора АТ-2 на ГПП 330/110 ОЭМК 105
3.7. Реэ/симы работы и определение критической длительности КЗ при отключении автотрансформатора АТ-3 106
3.8. Реэюимы работы и определение критической длительности КЗ при отключении шиносоединительного выключателя Е07 и включении Е09 108
3.9. Рекомендации по изменению структуры и конфигурации электрических сетей комбината и по применению технических средств для повышения надежности электроснабжения потребителей ОЭМК ПО
Глава 4. Экспериментальные исследования и технические решения повышения надежной работы электрооборудования ОЭМК 113
4.1. Мониторинг электропотребления и качества электроэнергии 113
4.2. Экспериментальные исследования провалов напряжения на шинах подстанций 110/10 кВ 117
4.3. Проекты и технические средства для повышения надежности электроснабжения потребителей ОЭМК 125
4.4. Выводы по главе 4 153
Заключение. Общие выводы и рекомендации 156
Список литературы
- Проблемы повышения надежности электроснабэ/сения предприятий с большим числом подстанций напряэ/сением 110 кВ
- Основные допущения, принимаемые при анализе переходных процессов в системах электроснаблсения металлургических предприятий
- Определение критической длительности для сугцествующеи системе электроснабжения ОЭМК при КЗ в самых тяжелых случаях
- Мониторинг электропотребления и качества электроэнергии
Введение к работе
Актуальность проблемы. За последние 10 лет в связи с увеличением в эксплуатации электроприемников принципиально новых типов повышаются требования к бесперебойности их электроснабжения. К электроприемникам с повышенными требованиями к надежности электроснабжения, качества электроэнергии (КЭ) и электромагнитной совместимости (ЭМС) относятся устройства, созданные на базе силовой электронной техники (преобразователи напряжений, частотно-регулируемые привода и т.п., которые выполняют основные технологические операции) и слаботочной техники (осуществляют функции управления или самостоятельные операции, в том числе связанные с информационными технологиями) [20,36-39,45,49,50,61,76-80,93,94,106,107,122,124,130, 138,139,142].
Эффективное применение таких электроприемников возможно только при ужесточении технических требований к качеству электроэнергии и надежности питающей сети, для чего необходимо с высокой точностью определять уровни остаточных напряжений в различных узлах внутризаводской сети при произвольном месте и виде короткого замыкания.
В силу конструктивных и схемных особенностей указанные выше потребители реагируют на самые незначительные, но довольно частые в повседневной зарубежной и отечественной практике кратковременные нарушения нормального электроснабжения (КННЭ, провалы напряжения или искажения синусоидальности кривой питающего напряжения). Это относится к процессам, зачастую имеющим длительность всего сотые доли секунды, в то время как продолжительность срабатывания классических устройств автоматического включения резерва (АВР) и автоматического повторного включения (АПВ) существенно больше (обычно — 1 с и более) [36-39,39,47-48,59-61,64,67,90,93-94,106, 107,112]. В результате минимальная длительность бестоковой паузы при АВР и АПВ во много раз превышает предельно допустимое время перерыва в электроснабжении таких электропотребителей [36-39,59-61,60,90,93-94,107,112].
Кроме того, существующие устройства АВР и АПВ функционально не предназначены для предотвращения искажений формы кривой питающего напряжения [45,90]. Как следствие, при сверхнормативном снижении КЭ, а также в период срабатывания устройств АВР или АПВ могут происходить сбои в работе АСУТП, компьютеров, телекоммуникационных, телеинформационных, управляющих и других электронных систем, часто работающих в режиме реального времени [36-39]. В результате этого возможна невосполнимая потеря информации, сопровождаемая экономическими потерями, многократно превышающими стоимость самой системы электроснабжения. Выход из данной ситуации — применение для таких потребителей достаточно быстродействующих динамических компенсаторов искажений напряжения или так называемых систем гарантированного электроснабжения (СГЭ) [36-39,45,138,139], основой которых являются отдельные электронные агрегаты, гравитационные, инерционные, электромеханические устройства, обеспечивающие бесперебойное питание.
Вопросы повышения надежности работы потребителей металлургических предприятий, взаимоотношений энергоснабжающей организации и потребителей, обусловленные как кратковременными нарушениями электроснабжения в энергосистеме, так и переключениями на подстанциях с высшим напряжением 750 и 500 кВ в связи с последствиями таких нарушений в новых экономических условиях очень актуальны. Анализ нарушений электроснабжения, приведших к остановам основных производств Оскольского электрометаллургического комбината (ОЭМК) и связанных с возмущениями, возникающим в энергосистемах ЕНЭС, показывает резкое снижение показателей надежности энергосистем ФСК ЕЭС.
Передача электрической энергии от электростанций к потребителям через воздушные ЛЭП-750, 500 и 330 кВ неизбежно связана с КННЭ потребителей (в виде провалов, посадок и исчезновений напряжения), которые возникают из-за старения основных фондов, грозовых повреждений ЛЭП, коротких замыканий (КЗ) в питающих сетях, в кабельных линиях напряжением 110-6 кВ и т.п. Прак-
тика проектирования ГПП-330 и ПО кВ 20-30 лет тому назад, основанная на положениях ПУЭ о 2-3 отключениях (нарушениях) электроснабжения, в настоящее время требует разработки методики распространения провалов напряжения в распределительных сетях предприятий и оценки остаточных напряжений на шинах потребителей напряжением 0,4-6-10 кВ, которые часто чувствительны к кратковременным нарушениям электроснабжения, вызванных как КЗ, так и переключениями на подстанциях питающих энергосистем.
Провалы напряжения приводят к аварийным остановкам высоковольтного и низковольтного электрооборудования, вызывают брак и недоотпуск продукции. Изменение социально-экономических условий взаимодействия энерго-- снабжающей организации и потребителей электрической энергии определяет необходимость доработки хмоделей, алгоритмов и программ достоверного определения параметров режима выбега двигательной нагрузки на короткое замыкание, распространения провалов напряжения в замкнутых распределительных сетях 110-6 кВ систем промышленного электроснабжения (СПЭ) при изменении конфигурации и структуры сетей металлургических комбинатов.
Для узлов нагрузки подстанций напряжением 10 и 6 кВ с мощными СД и АД, преобразовательными агрегатами в цепях питания приводов постоянного тока характерна их низкая эксплуатационная надежность и устойчивость [1-4, 15-21,26,29,31,39,46,47,49,55,59-65,67,71,72,76-81,83,84,121,91,94,96,106-108, 115,122,125-129,139-141]. Большой вклад в решение вопросов повышения надежности работы СПЭ с мощными СД и АД, преобразовательными агрегатами в цепях питания приводов постоянного тока внесли ученые: П.П. Вершинин, Г.Я. Вагин, СИ. Гамазин, И.А. Глебов, А.В. Егоров, Ф.П. Еднерал, Л.С. Лин-дорф, Е.К. Лоханин, В.А. Кудрин, Б.И. Кудрин, М.И. Слодарж, М.М. Соколов, В.А. Строев, И.А. Сыромятников, А.Д. Свенчанский, В.И.Тимошпольский, Г.А. Фарнасов, М.М. Фотиев, ЛЛ. Хашпер, P.Anderson, Bollen M.H.J., Wagner C.F. и
др.
Методы построения эффективных алгоритмов вычисления остаточных на-
пряжений на шинах потребителей напряжением 0,4-6-10 кВ сложно-замкнутых систем промышленного электроснабжения с большим числом подстанций с высшим напряжением ПО кВ и их практическая реализация не получили должного развития [4,13-15,20,28,29,34,52,65,73,122-124,130,133,135,139]. Существующие алгоритмы расчета переходных процессов в замкнутых СПЭ [2,4,25-29,33,35,42,46, 48,58,65,71,88-89,93,98-99,103,112,120,122,124,137] часто эквивалентируют электродвигательную нагрузку СПЭ, не позволяют учитывать питающие энергосистемы с разными номинальными напряжениями.
Как показывает статистика аварийных режимов работы металлургических предприятий [2,18-21,26,35-37,39,47-48,54,57,59,65,67,76-80,93,105,108,122-129] по причине нарушений в работе системы внешнего электроснабжения происходит свыше 35% аварийных отключений. Аварийные процессы, происходящие в энергосистемах при коротких замыканиях, работе релейной защиты и автоматики (РЗА), переключениях на подстанциях 750 кВ существенным образом сказываются на устойчивости работы узлов нагрузки и непрерывности технологических процессов производств [2,3,14-17,20,37-38,46,48,56,59,62-64,73,84,86,93, 97,98-99,111-116,120,122-129].
Проектирование, эксплуатация схем электроснабжения кислородных станций, металлургических и горнодобывающих предприятий требуют решения задач обеспечения высоких остаточных напряжений при выбеге на внешние и внутренние КЗ, самозапуске двигательной нагрузки после нарушений электроснабжения, достоверного определения уровней напряжения на шинах секций 6(10) и 0,4 кВ, правильной настройки параметров релейной защиты и автоматики.
Среди мероприятий по повышению надежной работы систем электроснабжения и электрооборудования ОЭМК запланировано (Приложение 1):
проведение обследования и анализ режимов работы существующей схемы электроснабжения комбината на ступенях 330/110/10/6/0.4 кВ;
вскрытие недостатков существующей схемы электроснабжения нега-
тивно влияющих на эффективность работы комбината;
определение оптимальной конфигурации сетей и режимов работы для снижения потерь производства при возникновении просадок напряжения;
комплексное научно-техническое и инженерное исследование в цехах комбината проблем связанных с короткими замыканиями и просадками напряжения, приводящими к остановке технологического процесса;
минимизация рисков связанных с короткими замыканиями и просадками напряжения в сетях;
разработка мероприятий, выдача рекомендаций и схемных решений, состава оборудования и его ориентировочной стоимости, направленных на снижение влияния аварийных и ненормальных режимов, уменьшению (или исключению) длительности.и величины провалов напряжения при коротких замыканиях во внутренних или внешних схемах электроснабжения комбината на технологические процессы в цехах комбината.
* Конечная цель технического задания на «Обследование распределительных сетей 330/110/10/6/0.4кВ» - повышение эффективности работы существующих сетей комбината, обеспечение устойчивости технологического процесса при кратковременных нарушениях (провалах или исчезновении напряжения) в системе электроснабжения, возникающих из-за коротких замыканий в сетях 330, 110, 10, 6, 0.4 кВ комбината и вне его, при передаче и распределении электроэнергии цехам комбината (цех окомкования и металлизации - ЦОиМ, электросталеплавильный цех - ЭСПЦ, сортопрокатные цеха - СПЦ-1, СПЦ-2, энер-гоцех - ЭНЦ, ТСЦ, центральная вентиляционная станция - ЦВС, ЦОИ).
Несмотря на значительное число работ по теме диссертации [3,15,24-25, 28,32-35,46,56,72,83,104,109,120,123-124,139], методы построения эффективных алгоритмов применительно к расчету нормальных и аварийных режимов работы многомашинных СПЭ со сложно-замкнутыми контурами, несколькими источниками и их практическая реализация не получили должного развития. Погрешность математической модели СПЭ с электродвигательной нагрузкой при
расчетах электромагнитных и электромеханических процессов, устойчивости электродвигательной нагрузки и оценке прохождения провалов напряжений во многом зависит от точности моделирования процессов в СД и АД, полноты описания переходных процессов в двигателях уравнениями Парка-Горева и определения параметров двигателей во всем диапазоне изменения скольжения.
Схемы электроснабжения металлургических предприятий характеризуются сложно-разветвленной структурой промышленной сети, значительной удаленностью ПС от ГПП, большой долей и мощностью электродвигательной нагрузки.
Повышение эффективности работы СПЭ металлургических и горнодобывающих предприятий связано с экспериментальными исследованиями параметров узлов нагрузки, разработкой математической модели внутризаводских сетей, оценкой распространения провалов напряжения, многочисленными расчетными исследованиями переходных процессов сложно-замкнутых сетей при числе дифференциальных уравнений выше 500 и количестве ПС 110/10 или 110/6 кВ свыше 10.
Для решения таких задач эффективным и удобным является метод математического моделирования, который позволяет с высокой точностью исследовать задачи, решение которых экспериментальным путем невозможно или чревато большими экономическими, экологическими и материальными затратами.
Целью работы является разработка математических моделей и программ расчета переходных процессов систем электроснабжения с замкнутыми контурами и большим числом ГПП-110 кВ, определение критических длительностей КЗ и разработка на основании расчетно-экспериментальных исследований технических решений, направленных на уменьшение влияния провалов напряжения при коротких замыканиях во внешних и внутренних схемах электроснабжения комбината на технологические процессы в цехах ОЭМК. Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие теоретические и прикладные задачи:
1. Мониторинг аварийных режимов и параметров качества электрической
энергии на вводах 330, 110, 10 кВ.
Разработка математической модели схемы электроснабжения ОЭМК (с числом ветвей 305), включающей 14 подстанций с высшим напряжением ПО кВ, восемь РП напряжением 10 кВ, 3 РП напряжением 6 кВ, 2 ПС 10/6 кВ, около 40 ТП, 26 СД и 137 АД.
Совершенствование программного комплекса по расчету нормальных, аварийных и послеаварийных режимов работы потребителей СПЭ при наличии замкнутых контуров.
Разработка методики определения остаточных уровней напряжения в различных точках распределительной сети 110-10-6-0,4 кВ.
5. Расчетно-экспериментальные исследования режимов работы СПЭ
ОЭМК, распространения провалов напряжений при КЗ в различных точках сети;
при отключении основных автотрансформаторов АТ-2, АТ-3, отключении ши-
носоединительного выключателя Е-07, включении секционного Е-09 ПС НЕ.
6. Разработка технических решений, направленных на повышение надеж
ности работы основных потребителей электросталеплавильного, сортопрокат
ных цехов, цеха металлизации и окомкования, кислородной и компрессорной
станций.
Объектом исследования являются электрооборудование электросталеплавильного, сортопрокатных цехов, цеха металлизации и окомкования, кислородной и компрессорной станций металлургических предприятий и их функционирование в условиях воздействия кратковременных нарушений нормального электроснабжения.
Научная новизна.
Разработана математическая модель и методика расчета остаточных напряжений в различных точках распределительной сети 110-10-6-0,4 кВ сложно-замкнутой схемы системы электроснабжения металлургических предприятий, учитывающая наличие собственных источников питания, исключающая зацикливание при итерационных расчетах
Модернизирован программный комплекс по расчету нормальных, аварий-
ных и послеаварийных режимов работы потребителей СПЭ при наличии замкнутых контуров и большом числе подстанций с высшим напряжением 110 кВ.
3: Определены критические длительности КЗ для основных производств ОЭМК при внешних и внутренних коротких замыканиях в питающей сети комбината с учетом возможного изменения структуры и конфигурации СПЭ, а также режимов работы электродвигательной нагрузки.
4. Предложен системный подход к повышению эффективности работы сетей комбината, обеспечению устойчивости технологического процесса при кратковременных нарушениях (провалах или исчезновении напряжения) в системе электроснабжения.
Практическая ценность результатов работы.
Определена область устойчивости электропотребителей основных производств ОЭМК при внешних и внутренних коротких замыканиях в питающей сети комбината при изменении коэффициентов загрузки СД, параметров внешней сети, величины и длительности провалов напряжения в энергосистеме. Проведены экспериментальные исследования провалов напряжения, которые подтвердили достоверность разработанного программного обеспечения. Разработаны концепция и мероприятия по повышению непрерывности технологических процессов при КЗ во внешних и внутренних питающих сетях, которая включает мероприятия системные, мало- и средне-затратные на сумму свыше 2,8 млрд. руб. (Приложение 2) и позволит исключить негативные последствия от КНЭ.
Реализация результатов работы.^
Основные результаты работы использованы при модернизации системы электроснабжения ОЭМК в ходе строительства нового завода, разработке технических мероприятий по повышению устойчивости электрооборудования электросталеплавильного, сортопрокатных цехов, цеха металлизации и окомкования, кислородной и компрессорной станций металлургических предприятий в условиях воздействия кратковременных нарушений нормального электроснабжения.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Методика расчета остаточных напряжений в различных точках распре-
делительной сети 110-10-6-0,4 кВ сложно-замкнутой схемы системы электроснабжения металлургических предприятий с несколькими источниками питания
Математические модели и программный комплекс по расчету нормальных, аварийных и послеаварийных режимов работы потребителей СПЭ при наличии замкнутых контуров и большого числа подстанций с высшим напряжением 110 кВ.
Результаты экспериментальных исследований режимов провалов напряжений, которые подтвердили правильность отражения физических процессов с помощью разработанной математической модели и программы TKZZK расчета переходных процессов СПЭ с электродвигательной нагрузкой.
Критические длительности КЗ для основных производств ОЭМК при внешних и внутренних коротких замыканиях в питающей сети комбината с учетом возможного изменения структуры и конфигурации СПЭ, а также режимов работы электродвигательной нагрузки.
Апробация работы.
Основные положения работы и ее результаты докладывались на Всероссийских конференциях «Практика эффективной организации энергоснабжения металлургических предприятий в условиях реструктуризации» (Москва, 15-16 ноября 2006 г.), «Эффективность электрохозяйства потребителей металлургических предприятий в условиях реструктуризации энергетики» (Москва, 13-15 ноября 2007 г.), на научных семинарах кафедры электроснабжения промышленных предприятий МЭИ.
Публикации. Содержание работы нашло отражение в 6 опубликованных работах автора, из которых 3 наиболее значимые.
Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит введение, 4 главы, заключение, список литературы из 143 наименований и 4 приложения. Общий объем работы составляет 202 страницы текста.
Проблемы повышения надежности электроснабэ/сения предприятий с большим числом подстанций напряэ/сением 110 кВ
Обеспечение результирующей устойчивости узлов нагрузки СПЭ металлургических предприятий (рис. 1.1) в связи с ростом единичной и суммарной мощностей двигательной нагрузки производств; ввиду наличия технологических агрегатов, которые при внезапных кратковременных нарушениях электроснабжения могут стать причиной нарушения безопасности работы, расстройства сложного технологического процесса, значительного брака продукции, становится в настоящее время все более актуальной проблемой.
Так, число высоковольтных СД равно 26, а основных АД -137, мощность отдельных вентиляторов охлаждения воздуха ЦОИМ равна 3000 и 2800 кВт, воздушных компрессоров ЭНЦ - 3150, а компрессора К-390 кислородной станции 5000 кВт; мощность приводов постоянного тока 3500 кВт.
Основные особенности нормальных режимов работы электрооборудования и приводов подробно рассмотрены в литературе [1-2,4,12,15,26,65,66-70,73-80,83,92-93,99,100-102,108,113,115,121]. Существующие методы оценки остаточных напряжений [3,24-25,28,29,35,46,47,48,52,56,72,82,89,104,123-125,135,137] требуют совершенствования путем учета каждого СД и АД напряжением 6,10 кВ своей системой дифференциальных уравнений, а не эквивалентирования.
Структурная схема электроснабжения металлургического комбината Система электроснабжения ОЭМК запитана от двух источников: подстанций «Старый Оскол-500» (НВАЭС) и «Металлургическая-750» (КАЭС), от которых по 2-м ВЛ-330 кВ (от каждой из них) питается ГПП-330/110 кВ с четырьмя автотрансформаторами мощностью по 320 МВА (рис. 1.1). Среднегодовая используемая мощность ОЭМК составляет 300-320 МВА, а колебания мощности, вызванные работой дуговых сталеплавильных печей ЭСПЦ, находятся в пределах от 205 до 429 МВА.
Для схемы нормального режима - отключение любой из четырех ВЛ-330 кВ не вызывает потери питания потребителей ГПП. Потребители ГПП ОЭМК объединены в две группы: - одна запитана от «неспокойной» системы шин 110 кВ и предназначена для электроснабжения 4-х ДСП ЭСПЦ (трансформаторы мощностью 4x90 МВА) и установки компенсации реактивной мощности (ПС SH-34); - другая - от «спокойной» системы шин 110 кВ, для электроснабжения остальных потребителей производственной площадки комбината, которые имеют глубокие, кабельные вводы напряжением ПО кВ: ПС НЕ (ЦОиМ, ЦКС); 14Е(ЭСПЦ); 91Е(ЭСПЦ,ЭНЦ); ІбЕ(СГЩ-І); 17Е(СПЦ-2).
Часть подстанции 1 IE (один трансформатор ПС 9IE) питается от системы «С» (РП «Голофеевка» напряжением 110 кВ). От РП 1 ЮкВ «Голофеевка» получает электроснабжение ПС «Строительная», которая в свою очередь питает по стороне 10 кВ ТСЦ, ЦОИ и ЦВС.
Системы шин 110 кВ ГПП получают в существующей схеме питание от двух, работающих в параллельном режиме, автотрансформаторов 330/110 кВ, мощностью 320 МВА каждый. Это обеспечивает бесперебойность электроснабжения при отключении одного из автотрансформаторов.
Все подстанции комбината имеют по два ввода ПО кВ. ЭСПЦ, СПЦ-1 и СПЦ-2 имеют третий резервный ввод напряжением 10 кВ. Отделение металлизации ЦОиМ такого ввода не имеет.
В 2006 г. в ходе модернизации ОРУ ПО кВ подстанции «Строительная» 110/10/10 на нее подали два дополнительных ввода 10 кВ от подстанции 17Е (СПЦ-2). Эти два ввода могут служить резервными источниками питания как для подстанции «Строительная», так и для подстанции 17Е. Всего на ОЭМК на сегодня имеется: - одна подстанция 330/1 ЮкВ (ГПП или 24.11 или ПС 102С или Элегазовая); - тринадцать подстанций 110/10/10 кВ («Строительная», НЕ, 12Е1, 12Е2, 14Е, 16Е, 17Е, ДСП-1,2,3,4, АКОС-1,2 (агрегат комплексной обработки стали); - одна подстанция 110/10/6кВ (9IE); - восемь РП напряжением 10 кВ (91К, 92К, 93К, 94К, 95К, 98К, 100К, 11.1К,ЗСК); - две подстанции 10/6 кВ («Котельная», ЦОИ); - три РП напряжением 6 кВ (95К, 97К, «Бентонит»).
В плане развития комбината намечено ввести подстанцию 110 кВ АКОС-3,РП-10кВВРУ-3. Современные вычислительные средства позволяют по-новому решать задачи определения напряжений на шинах секций, токов, активной, реактивной мощностей узлов нагрузки в системах промышленного электроснабжения путем учета сдвига фаз между ЭДС двигателей и системой на каждой ступени напряжения.
В научной литературе описываются различные виды возмущений, их характеристики, механизм распространения и влияние на потребителей [1-4,15-17, 20-21,24-25,35-36,43-45,47-48,58-61,68,93,122,130-134,138,141-142]. Возмущения могут быть отнесены по своим временным характеристикам к трем основным классам (табл. 1.1): - переходные процессы; - кратковременные перенапряжения и снижения напряжения; - отключения или постоянные изменения напряжения. Таблица 1.1. Классификация КННЭ Класс возмущений Длительность, с Вид возмущений Источник
Переходные процессы 0-Ю"2 Волновой импульсОднополярный импульс МолнияПереключение емкостей Коммутация цепей
Кратковременные перенапряжения и снижения напряжения І0"2-2 Провалы напряженияМикропрерывания Флуктуации напряженияГармонические искажения Аварии в распределительной сетиЗапуск двигателей Подключение большой нагрузкиУстройства силовой электроники
Отключения или постоянные изменения напряжения Свыше 2 Фликкер Несимметрия напряженияИзменение частоты Аварии в питающей сети Включение прерывистой нагрузкиНесимметричная нагрузка
Выбор надежной схемы электроснабжения СД может быть осуществлен лишь после анализа сопровождающих пуск переходных процессов.
Двигательная нагрузка кислородных станций металлургических предприятий, горнодобывающих предприятий, в основном состоит из СД единичной мощностью от 1 до 10 МВт.
Для двигателей мощностью от 10 МВт применяют тиристорные пусковые устройства или частотно-регулируемый привод [12,29,32,44,84,129]. Возросшие требования к двигателям со стороны системы электроснабжения, рабочих механизмов, технологического процесса, необходимость определения условий успешного пуска мощных СД и АД требуют определения таких расчетных параметров, которые соответствуют реальным характеристикам и процессам в СД и АД.
В связи с непрерывным увеличением мощностей энергосистем и электрических двигателей аварийные режимы (КЗ) в системах промышленного электроснабжения становятся более тяжелыми [30,58,81,98,101,141].
Доведение разработанных методов расчета параметров, условий пуска двигателей, устойчивости двигательной нагрузки промышленных предприятий до готовых пакетов прикладных программ является важной практической задачей.
На кафедре электроснабжения промышленных предприятий Московского энергетического института в течение ряда лет проводится работа по расчету процессов пуска, группового самозапуска высоковольтных СД и АД, устойчивости двигательной нагрузки систем промышленного электроснабжения при кратковременных перерывах электроснабжения [30-37].
Основные допущения, принимаемые при анализе переходных процессов в системах электроснаблсения металлургических предприятий
Ввиду того, что система дифференциальных уравнений СПЭ металлургических предприятий превысит 500 уравнений, для математических моделей, используемых для расчета и распространения провалов напряжения в сложно-замкнутых сетях металлургических предприятий, предлагается для СД принять следующие допущения [35]: 1) магнитная индукция по окружности ротора распределена синусоидально; 2) приближенно учитывается изменение индуктивных сопротивлений взаимоиндукции в связи с насыщением стали при изменениях режима работы двигателя, что позволяет упростить уравнения переходных процессов СД; 3) не учитывается изменение активных сопротивлений схем замещения двигателей при изменениях температурного режима; 4) не учитывается изменение индуктивных сопротивлений рассеяния от насыщения магнитных цепей для потоков рассеяния статора и ротора; 5) отсутствует гистерезис, потери в стали. 2.2.Система координат для записи дифференциальных уравнений переходных процессов СД и АД
В работах [12,29,30,35,46,52,62,73-74,88,89,124,137] проведен анализ математических моделей СД. Рассматриваются модели синхронных машин без демпферных контуров, с одним демпферным контуром по осям d и q, с демпферными контурами на роторе при допущении о равенстве сверхпереходных параметров по продольной и поперечной осям, с несколькими демпферными контурами по осям d и q. В этих работах доказано, что неучет сверхпереходной явнополюсности для турбогенератора практически не дает погрешности, а для явнополюсных машин появляется погрешность при отличии параметров синхронных индуктивных сопротивлений по осям d и q более чем на 10%.
Устойчивость узлов промышленной нагрузки определяется режимом работы сотен потребителей электрической энергии, большую часть из которых составляют электрические двигатели. Математическое описание системы промышленного электроснабжения при повышении точности моделирования СД существенно усложняется. Необходимо также считаться с трудностями определения параметров двигателей, достаточно полно характеризующих крупные узлы двигательной нагрузки [5,23,72,74,89]. Поэтому основным принципом математического моделирования СД должен быть принцип максимально возможных упрощений, но, естественно, таких, при которых схемы замещения СД правильно отражают основные процессы в двигателях на всем диапазоне изменения частоты вращения.
Наиболее достоверными параметрами и характеристиками СД являются экспериментально полученные данные о каждом конкретном двигателе. Однако, даже в условиях эксплуатации систем промышленного электроснабжения далеко не всегда представляется возможным детальное экспериментальное обследование каждого СД. Поэтому вполне закономерным является требование получения параметров схемы замещения и характеристик двигателей расчетным путем. При этом и схема замещения, и ее параметры не должны противоречить каталожным данным двигателей, т.е. параметры, определенные расчетным путем по схеме замещения должны совпадать с каталожными данными двигателей [30,35]. В качестве исходных данных для определения параметров схемы замещения СД использованы только каталожные данные двигателей (или их уточненные значения). Перечисленное легло в основу моделирования СД и определения их параметров.
Расчеты параметров, переходных процессов самозапуска СД заметно упрощаются и менее подвержены зацикливаниям, если их производить в относительных единицах. В дальнейшем все величины, характеризующие СД, выражены в собственных относительных единицах. Базисными величинами (далее с индексами б) для машин [26,89] являются следующие: - действующие значения номинальной силы фазного тока двигателя (1Н0М) 1б=1ном\ (2.1) - номинального фазного напряжения двигателя (UHOM) Ue= U„OM\ (2-2) - номинальная полная мощность двигателя (SHOM) - полное сопротивление фазы статора двигателя За базисную угловую частоту (б%) принимается синхронная угловая частота (со0) СОб = СО0 = 27uf0, (2.5) где/0 - номинальная частота сети; Базисный момент ( MQ Определяется по формуле M6 = SHOMp/C06, (2.6) где/? - число пар полюсов машины. За базисное время ( t6) принимается время, соответствующее повороту ротора АД при базисной угловой частоте на 1 радиан электрический t6 = 1 / С0б. (2.7) 2.4. Система координат для записи дифференциальных уравнений переходных процессов СД При расчетах процессов выбега двигателей на КЗ, АПВ, АВР, процессов при провалах напряжения в электрической системе и самозапуска для расчета напряжений на шинах секций РУ, выводах СД и АД, отсчета положения обобщенных векторов параметров режима СПЭ используем системы координат: - систему координат, вращающуюся с частотой ротора (d, q); - систему координат, связанную с направлением вектора напряжения на секции распределительного устройства (РУ) {а, р); - систему координат, связанную с направлением вектора ЭДС электрической системы (Re, Im);
Симметричные переходные процессы можно исследовать в системе координат, вращающуюся вместе с ротором - системе координат (d, q), жестко связанную с ротором СД и применяемую для анализа переходных процессов как в СД так и в АД, где ось d совпадает с осью полюса машины. Удобство этой системы заключается в том, что при этом машина симметрична независимо от положения ротора. Так же выражения для потокосцеплений не содержат переменных индуктивностей. Наконец, дифференциальные уравнения напряжений при неизменной частоте имеют постоянные коэффициенты. Таких систем координат столько, сколько АД и СД в узле нагрузки, т.е. п.
Угол 6, между вектором напряжения U и поперечной осью ротора q, может изменяться в пределах от -л до 71. Положительному значению угла 8 соответствует случай, когда вектор напряжения на секции опережает ось q не более чем на тт. В системе координат (Re, Im), действительная ось направлена по вектору ЭДС электрической системы и по отношению к узлу комплексной нагрузки промышленной подстанции она является единственной. В этой системе координат целесообразно представить уравнение, определяющее напряжения на секциях РУ расчетной схемы СПЭ. Угол у, между векторами ЭДС электрической системы и напряжения на секции, также может изменяться в пределах от -ТЕ до тс. Положительному значению угла у соответствует случай, когда вектор электрической системы опережает вектор напряжения не более чем на тс.
Определение критической длительности для сугцествующеи системе электроснабжения ОЭМК при КЗ в самых тяжелых случаях
В состав ОЭМК входят подстанции ПО кВ с трансформаторами (табл. 3.1), которые запитаны КЛ, приведенными в табл. 3.2. Для моделирования и расчетов режимов работы потребителей ОЭМК используем модель схемы замещения СПЭ (рис. 2.8, 2.9), в которой учтены фактические токи КЗ (табл. 3.3) на шинах подстанций предприятия. Проведенный нами анализ осциллограмм аварийных остановов и расчетно-экспериментальные исследования показали, что часть остановок технологического оборудования вызывается не отключением питания, а является: 1 - следствием КЗ и вызываемых ими провалов напряжения во внешних сетях 750-330 кВ и, особенно в сетях 110 кВ; 2 - следствием коротких замыканий в сетях 110 кВ комбината; 3 - следствием КЗ в распределительной сети 6,10 кВ комбината, при ко " торых происходят кратковременные провалы (посадки) напряжения (отклю чения пускателей, контакторов, преобразователей, сбои в. системах управле ния на основе устройств Sematic, вторичных цепях), во время которых от ключается электрооборудование цехов комбината, что влечет за собой оста нов технологических процессов, брак и потери производства.
Сбои в работе оборудования прокатных производств также иногда происходят при отключении и включении воздушной линии 750 кВ, питающей подстанцию «Металлургическая-750».
Схема замещения на рис. 2.8 отражает внешнюю питающую энергосистему для системы электроснабжения ОЭМК. Схема замещения на рис. 2.9 отражает внутреннюю питающую сеть и электрооборудование системы электроснабжения ОЭМК. Таблица 3.1. Перечень главных понизительных подстанций ОЭМК.
После отключения внешнего КЗ напряжения в центре питания восстанавливается, а в СПЭ комбината могут возникать необратимые процессы, связанные со сбоем в программах управления технологическими процессами, срабатыванием защит преобразователей напряжения, неуспешным самозапуском двигателей, отключением контакторов и магнитных пускателей, которые могут привести к аварийным остановам технологических процессов. Оценим последствия от трехфазных коротких замыканий во внешних электрических сетях для системы электроснабжения комбината.
Для выявления глубины и влияния длительности провалов напряжения, их распространения по системе электроснабжения ОЭМК, проверки влияния КЗ во внешней питающей сети на режимы работы электрооборудования (на ступенях 110/10/6/0.4 кВ СПЭ комбината) проведены следующие расчетно-экспериментальные исследования (рис. 2.8): - КЗ вблизи шин 750 кВ ПС «Металлургическая-750» (точка 1); - КЗ вблизи шин РУ 330 кВ ПС «Металлургическая-750» (точка 3); - КЗ на РУ 110 кВ ПС «Металлургическая-750 (точка 6); - КЗ вблизи шин РУ 110 кВ ПС «Голофеевка» (точка 7); - КЗ вблизи шин РУ 500 кВ ПС «Старый Оскол-500» (точка 8); - КЗ вблизи шин РУ 330 кВ ПС «Старый Оскол-500» (точка 9); - КЗ вблизи шин РУ 110 кВ ПС «Старый Оскол-500» (точка 13).
При КЗ в точках 1, 3, 8, 9 остаточные напряжения (выделены тоном) на шинах секций не превышают (0,6-0,7)UHOM (провалы напряжений глубиной до 40%). Это означает, что при длительности КЗ выше критической (tK3 TKp) будут сбои в работе систем управления, срабатывание защит преобразователей напряжения, отключение магнитных пускателей и контакторов в цепи питания маслонасосов, что вызывает нарушение устойчивости СД, АД и повлечет расстройство технологического процесса. Напряжения на шинах секций узлов нагрузки ОЭМК при трехфазном коротком замыкании в различных точках системы электроснабжения приведены в приложении 3.
Параметры режима СД-12 (а) и АД-12 (б) при КЗ и после его отключения Для всех СД, АД токи статорных обмоток не достигают значений паспортных каталожных данных, однако посадка напряжения приводит к значительным механическим воздействиям как на вал, так и приводимый механизм тех двигателей, ток которых превышает (4,3 б,7)1„ом, а момент 2,5РН0М, что вызывает дополнительный износ электрооборудования.
Из результатов следует, что при трехфазных КЗ а) вблизи шин 750 кВ ПС «Металлургическая-750» (точка 1); б) вблизи шин РУ 330 кВ ПС «Металлурги-ческая-750» (точка 3); с) вблизи шин РУ 500 кВ ПС «Старый Оскол-500» (точка 8); вблизи шин РУ 330 кВ ПС «Старый Оскол-500» (точка 9) остаточные напряжения на шинах ПС 110 кВ, 10, 6 и 0.4 кВ ОЭМК не превышают 0,3UHOM И это приведет к нарушениям работы электрооборудования и систем управления технологическими процессами цехов комбината.
Мониторинг электропотребления и качества электроэнергии
Для проведения экспериментальных исследований провалов напряжения на шинах секций подстанций, питающих чувствительную к посадкам напряжения электродвигательную нагрузку и системы компьютерного управления, были использованы регистратор аварийных событий Бреслер-0106 и анализатор качества электрической энергии Ресурс UF-2M ЗТ-52-5-100-1000 (зав. № 2356).
Регистратор Бреслер-0106 предназначен для одновременной записи 16-ти аналоговых и 32-х дискретных сигналов. Максимальная продолжительность записи — 46 секунд. Запись включает в себя: предшествующий, аварийный и послеаварийный процессы. Длительность предшествующего режима не менее 0,08 секунд (четыре периода частоты 50 Гц). Длительность записи послеаварийного режима 0,2 секунды (10 периодов промышленной частоты 50 Гц). Частота дискретизации аналоговых сигналов — 600 Гц, дискретных— 1200 Гц. Записанные осциллограммы сохраняются в энергонезависимой памяти регистратора. Файл записи содержит: дату и время пуска; причину пуска; уставки пусковых органов; осциллограммы. Просмотр и печать осциллограмм из файла осуществляется на ЭВМ с помощью программного обеспечения.
Количество одновременно используемых аналоговых пусковых органов до 42, дискретных—32. Логика пусковых органов, их уставки могут быть оперативно изменены пользователем и возможен режим блокировки от длительного пуска. Регистратор питается от сети оперативного постоянного тока 220 (110) В ±20 % или переменного 220 В, потребление по цепи питания не более 55 мА.
Программа экспериментальных исследований включала непрерывные двухнедельные исследования параметров электропотребления и качества электроэнергии на шинах 10 и 6 кВ основных производств ОЭМК (СПЦ-1, СПЦ-2, ЭСШД, ЦОиМ, ЦВС, ЭнЦ и др.).
С мая 2007 г. по июль 2007 г. проведены экспериментальные исследования параметров электропотребления и качества электрической энергии для оценки энергетической эффективности работы основного и вспомогательного оборудования ОЭМК. По результатам испытаний выявлены причины основных энергетических потерь, нарушений качества электрической энергии и намечены мероприятия по их устранению. Статистика провалов напряжений свидетельствует, что было: ? 20(45,45%) однофазных провалов напряжения глубиной 9,4- -100% и длительностью 48-446 мс; ? 8(18,2%) двухфазных провалов напряжения глубиной 8,4+29,50% и длительностью 72-И 84 мс; ? 16(36,35%) трехфазных провалов напряжения глубиной 13,3+77,6% и длительностью 78+203 мс. Из результатов исследований провалов напряжений следует, что: - глубина и длительность провала напряжения по фазам различна для одного и того же аварийного режима; - при пуске высоковольтных СД на РП 95К наблюдаются провалы напряжения глубиной до 11,9% и длительностью до 3,8 с; - при пуске высоковольтных ЭД на РП 97К наблюдаются провалы на пряжения глубиной до 10,7%) и длительностью до 3,5 с; - при пуске электродвигателей, запитанных от ПС 11.1К, наблюдаются провалы напряжения глубиной до 12,3% и длительностью до 5,1 с. За период с августа 2004 по август 2007 г.г. регистраторами аварийных событий, установленных на вводах 330 кВ ГПП зафиксированы свыше 40 автоматических запусков регистраторов, вызванных провалами напряжений. Анализ осциллограмм показал, что параметры провалов напряжения практически одинаковы по всем четырем вводам и отражаются далее на всех потребителях, присоединенных к ГПП.
Сравнение расчетных и экспериментальных данных при КЗ показало, что погрешность определения остаточных напряжений при КЗ в различных точках внешней и внутренней питающей сети не превышает 3%.
1. Осциллограммы аварийных событий, вызванных КЗ в электрических сетях 750, 500,330,110 кВ, показали, что в существующей схеме СПЭ ОЭМК провалы напряжения одновременно отражаются на обоих вводах ПС 110/6/10 кВ и часто приводят к отключениям чувствительных к нарушениям электроснабжения потребителей, запитанных от 4-х секций РУ-110 кВ ГПП 330/110 кВ (см. анализ КЗ на линии WL-303 08.09.2007 г. П2.).
2. Статистика регистрации аварийных событий приборами Бреслер за период с августа 2004 г. по август 2007 г. свидетельствует, что в год имеет место от 10 до 14 провалов напряжения, вызванных 3-х фазными КЗ глубиной от 11,2% до 77,6%о и длительностью 135+200 мс. Последствия этих нарушений электроснабжения для ОЭМК отражены в анализе аварийных событий, приведенных в табл. 4.3.
