Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературных источников и задачи исследования 7
1.1. Особенности функционирования систем электроснабжения, Содержащих источники высших гармоник 7
1.2. Обзор литературных источников 10
1.3. Задачи исследования 24
2. Методика исследования 26
2.1. Система электроснабжения листопрокатных цехов металлургических предприятий 26
2.2. Система электроснабжения листопрокатного цеха, как объект исследования 28
2.3. Построение моделей элементов системы электроснабжения 30
3. Снижение амплитуды высших гармоник 58
3.1. Снижение амплитуды высших гармоник за счет применения фильтрокомпенсирующих установок 58
3.2. Модернизация пассивных фильтров для обеспечения наилучших условий фильтрации гармоник 74
4. Технико-экономическая оценка влияния высших гармонических составляющих на работу системы электроснабжения листопрокатных цехов 85
4.1. Влияние высших гармонических составляющих на работу системы электроснабжения 85
4.2 Оценка результатов исследования системы электроснабжения листопрокатного цеха 88
4.3. Влияние высших гармоник на процессы коммутации в системе электроснабжения листопрокатного цеха 94
4.4. Методика построения оптимальных систем электроснабжения листопрокатных производств 100
5. Экономическая оценка функционирования системы электроснабжения листопрокатных цехов 105
5.1. Методика расчета надёжности функционирования электротехнической системы 105
5.2. Выбор электротехнического оборудования в соответствии с его местом в технологическом процессе 114
Заключение 118
Библиоргафический список 120
- Особенности функционирования систем электроснабжения, Содержащих источники высших гармоник
- Система электроснабжения листопрокатного цеха, как объект исследования
- Снижение амплитуды высших гармоник за счет применения фильтрокомпенсирующих установок
- Влияние высших гармонических составляющих на работу системы электроснабжения
Введение к работе
Актуальность работы. Широкое распространение на промышленных предприятиях нагрузок с нелинейными вольт-амперными характеристиками привело к возникновению проблемы, связанной с обеспечением требуемого качества электроэнергии. Существуют различные методы, позволяющие добиться снижения амплитуды высших гармоник в системах электроснабжения, однако поиск рационального способа повышения качества электроэнергии с технической и экономической точки зрения остаётся открытым.
Проведённый анализ показал, что для определения оптимального способа подавления высших гармоник тока и напряжения необходимо применение методов компьютерного моделирования систем электроснабжения. Разработка методики построения компьютерных моделей электрооборудования, позволяющих учитывать факторы, влияющие на уровень высших гармоник в системах электроснабжения листопрокатных цехов металлургических предприятий, является актуальной задачей. Проблемы, связанные с разработкой мероприятий, направленных на повышение эффективности функционирования фильтро-компенсирующих установок, а также связанные с определением параметров работы активных элементов гибридных фильтров, также являются актуальными.
Целью работы является обеспечение эффективности функционирования систем электроснабжения листопрокатных цехов металлургических предприятий, за счет снижения влияния негативных факторов на работу фильтроком-пенсирующих установок, а также изменения параметров работы активных элементов гибридных фильтров.
Идея работы заключается в построении компьютерной модели системы электроснабжения, в которой учитываются параметры используемого силового электрооборудования и работы двигателей прокатного стана, влияющие на показатели качества электроэнергии, с последующим определением спектра частот высших гармоник в любой точке рассматриваемой системы.
Научная новизна работы состоит в:
5 разработке универсального принципа построения моделей силовых
трансформаторов, отличающегося от известных учетом способа соединения обмоток, позволяющего изучать как переходные, так и установившиеся процессы без изменения модели;
разработке принципа построения модели двигателя постоянного тока независимого возбуждения, отличающегося от известных за счет структуры модели, позволяющей моделировать различные режимы работы двигателя. В модели реализована возможность учета характеристик механической нагрузки -момента нагрузки и момента инерции нагрузки;
определении способа модернизации фильтрокомпенсирующих установок, позволяющего снизить броски тока при включении установки в сеть и отключении из сети, отличающегося от известных сохранением резонансной частоты фильтра в процессе включения и отключения;
определении параметров работы активного элемента гибридного фильтра, отличающегося от известных за счет достижения минимального сопротивления фильтра для широкого спектра частот высших гармоник.
Практическая ценность работы состоит в:
использовании разработанных моделей электрооборудования для изучения работы системы электроснабжения с учетом факторов, влияющих на показатели качества электроэнергии;
улучшении условия эксплуатации фильтрокомпенсирующих установок за счет снижения влияния бросков тока при включении и отключении;
улучшении характеристик фильтрокомпенсирующих установок за счет применения активного элемента;
определении участков электротехнической системы, повреждения на которых могут возникать в результате аварий на соседних участках.
Методы и объекты исследования. Исследования проводились с использованием теории электротехники и электропривода, математического моделирования переходных процессов на ЭВМ в сочетании с численными методами ре-
шения. Экспериментальные исследования проводились в реальных производственных условиях.
Достоверность результатов и выводов подтверждается сходимостью результатов теоретических исследований с осциллограммами, полученными на реальном объекте с погрешностью менее 5%, математическим обоснованием разработанных моделей, сопоставимостью полученных результатов с положениями общей теории электропривода и электротехники.
Реализация работы. Научные и практические результаты диссертационной работы использованы в цехе ПХПП ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат» в качестве дополнения к существующим методам разработки и анализа функционирования систем электроснабжения листопрокатных цехов, содержащих источники высших гармоник. Ожидаемый экономический эффект состоит в сокращении суммы амортизационных отчислений с одной фильтро-компенсирующей установки до 150 тыс. руб. в год.
Апробация работы. Результаты работы были представлены в виде доклада на ежегодной научно-технической конференции аспирантов факультета автоматизации и информатики ЛГТУ в 2006 году.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 работы.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы и приложений. Общий объём диссертации 150 с, в том числе 119 с основного текста, 24 рисунка, 5 таблиц, список литературы из 107 наименований, 5 приложения на 23 страницах.
Особенности функционирования систем электроснабжения, Содержащих источники высших гармоник
На современных промышленных предприятиях значительное распространение получили нагрузки, вольт- или вебер-амперные характеристики которых нелинейны. Обычно такие нагрузки называют нелинейными. К их числу относятся в первую очередь различного рода вентильные преобразователи, главным образом тиристорные, установки дуговой и контактной электросварки, электродуговые сталеплавильные и руднотермические печи, газоразрядные лампы, силовые магнитные усилители и трансформаторы. Эти нагрузки потребляют из сети ток, кривая которого оказывается несинусоидальной, а во многих случаях и непериодической; в результате возникают нелинейные искажения кривой напряжения сети или, другими словами, несинусоидальные режимы [1].
Несинусоидальные режимы неблагоприятно сказываются на работе силового электрооборудования, систем релейной защиты, автоматики, телемеханики и связи. Возникающие в результате воздействия высших гармоник экономические ущербы обусловлены, главным образом, ухудшением энергетических показателей, снижением надежности функционирования электрических сетей и сокращением срока службы электрооборудования. В некоторых случаях имеет место ухудшение качества и уменьшение количества выпускаемой продукции. Поэтому прогрессирующее внедрение вентильного электропривода и электротехнологии обусловило важность и актуальность решения проблемы высших гармоник в электрических сетях.
Основной круг вопросов, составляющих содержание этой проблемы, сводится к следующим: оценка электромагнитной совместимости источников высших гармоник и других нагрузок, т. е. влияния гармоник на электроустановки, и возникающего при этом экономического ущерба; количественная оценка высших гармоник тока, генерируемых различными нелинейными нагрузками, и прогнозирование значений высших гармоник тока и напряжения в электрических сетях; снижение уровней высших гармоник.
В общем случае кривые токов и напряжений в промышленных электрических сетях могут рассматриваться как амплитудно-модулированные колебания со случайным законом изменения амплитуды и начальной фазы. Однако, временной подход к исследованию нелинейных искажений, весьма неудобен для практического использования. Повсеместное распространение получил так называемый спектральный подход, основанный на представлении колебаний тока (напряжения) сети в виде совокупности элементарных колебаний [2]. В этом случае используется представление кривой тока (напряжения) в виде суммы синусоид с различной амплитудой, начальной фазой и частотой (гармоники). Гармоника с номером v=l, частота которой соответствует частоте сети, называется первой или основной остальные - высшими гармониками (или гармоническими составляющими).
Совокупность амплитуд и начальных фаз гармоник образует дискретные амплитудный и фазовый спектры. Для решения практических задач основное значение имеет амплитудный спектр, часто называемый для краткости просто спектром, который, по сути, является графическим представлением распределения амплитуды гармоник в зависимости от их частоты (номера гармоники).
При изменяющемся во времени режиме работы нелинейных нагрузок, в частности при резкопеременных нагрузках (например, тиристорные преобразователи прокатных станов и установок электродуговой и контактной сварки, ЭДСП), кривые напряжения и тока оказываются непериодическими, строго говоря, в этом случае эти кривые представляются бесконечной суммой гармоник с бесконечно малыми амплитудами. Однако на практике получается достаточная точность и при использовании ряда Фурье. В рассматриваемом случае амплитуды и фазы гармоник изменяются во времени по детерминированным или случайным законам. При этом наряду с гармониками целочисленных порядков появляются и составляющие боковых частот, не кратных частоте сети [2]. При работе нелинейных нагрузок появляются импульсные и флуктуаци онные помехи. Они обусловливают появление составляющих сплошного спектра, энергия которого в рассматриваемых нами задачах электроснабжения предприятий оказывается незначительной по сравнению с энергией гармонических составляющих. Теоретическим и экспериментальным исследованиям высших гармоник тока и напряжения в электрических сетях посвящено значительное число работ отечественных и зарубежных авторов. Эти работы могут быть разбиты на пять групп: - исследование схем замещения элементов систем электроснабжения, как генераторов или потребителей высших гармоник. - теоретический анализ распределения высших гармоник тока; напряжения в электрических сетях. - создание измерительных приборов и экспериментальные исследования гармоник в сетях. - исследование влияния высших гармоник на работу силового электрооборудования, устройств релейной защиты, автоматики, телемеханики и связи. - снижение уровней высших гармоник. Следует отметить, что предложенная классификация достаточно условна, так как имеются работы, в которых рассматриваются вопросы, характерные для различных групп; однако определяющими являются вопросы, относящиеся к какой-либо одной группе [2]. На современном этапе развития науки и техники представляется возможным осуществление комплексного анализа систем электроснабжения с последующим выяснением распределения высших гармоник и поиском наиболее оптимального способа для их подавления. В этом случае наиболее продуктивным является именно частный подход к каждой системе, который позволяет учитывать все её особенности. В результате такого рода исследований можно добиться наиболее точных результатов, соответствующих действительности, в сочетании с минимальными временными затратами.
Система электроснабжения листопрокатного цеха, как объект исследования
В связи с этим основными задачами исследования, приведённого в данной работе, являются: - разработка компьютерных моделей элементов системы электроснабжения, а также компьютерных моделей силового электрооборудования, устройств подавления высших гармонических составляющих; - разработка метода анализа, который должен иметь возможность практического применения при проектировании вновь разрабатываемых систем электроснабжения, а также при анализе существующих систем, при условии обеспечения оптимальных временных затрат в сочетании с большим количеством предоставляемых в результате анализа данных, позволяющих добиться наиболее выгодной структуры системы; - определение основных способов модернизации фильтрокомпенсирующих установок с целью продления срока их эксплуатации, путём снижения влияния негативных факторов, возникающих при переходных режимах; - проведение анализа влияния каждой отдельной единицы электрооборудования на показатели качества электроэнергии в рассматриваемой системе; - разработка на основании проведённых исследований рекомендаций по построению систем электроснабжения предприятий, содержащих источники высших гармонических составляющих; Добиться выполнения указанных задач исследования возможно только при использовании индивидуального подхода к каждой системе электроснабжения. Использование компьютерных моделей отдельных единиц основного оборудования, такого, как трансформаторы, мощные электродвигатели, реакторы, выпрямительные установки и т.п., позволяет учитывать индивидуальные особенности электроустановок и проводить анализ для любой системы электроснабжения.
Современные металлургические предприятия характеризуются наличием большого количества сложного промышленного оборудования, протяженностью внутрицеховых сетей, измеряемой в десятках километров, разнообразностью электрических нагрузок. В состав сложных технологических комплексов листопрокатных цехов входят мощные промышленные установки, такие как прокатные станы, всевозможные агрегаты термообработки и нанесения покрытия, дрессировочный станы, нормализационные агрегаты, агрегаты травления, агрегаты подготовки рулонов, кантователи рулонов, агрегаты продольной резки, агрегаты упаковки, насосные станции; большое количество силового электрооборудования, такого как электродвигатели, трансформаторы, выпрямительные преобразователи, реакторы, фильтрокомпенсирующие установки, кабельные линии, выключатели и т. п. Каждая единица силового электрооборудования характеризуется определённым набором параметров, характерных только для данного типа электрооборудования. Некоторые из этих параметров оказывают влияние на характеристики потребляемого из сети тока и питающего напряжения, а, следовательно, и на качество электрической энергии в сети цеха. Таким образом, при анализе состояния системы электроснабжения цеха, необходимо учитывать, что это состояние - результат совместной работы всех входящих в систему электроустановок.
Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что анализ работы систем электроснабжения - сложная задача, обусловленная большим количеством единиц электрооборудования и сложной структурой цеховой сети. Более того, некоторые единицы электрооборудования содержат в себе элементы, оказывающие существенное влияние на электрические характеристики, но параметры таких элементов связаны с электрическими характеристиками электрооборудования сложными математическими зависимостями. Поэтому, для наиболее качественного анализа системы электроснабжения листопрокатного цеха необходимо использовать компьютерное моделирование, которое позволяет получить наиболее достоверные результаты с учетом наибольшего числа параметров электрооборудования в сочетании с наименьшими временными затратами. Кроме того, применение компьютерного моделирования позволяет анализировать работу системы электроснабжения при изменении отдельных параметров системы, например, для моделирования всевозможных аварийных режимов.
Результаты компьютерного моделирования подобных систем определяются математической моделью отдельных элементов, входящих в систему, и частью компьютерной модели, которая обеспечивает связь между этими отдельными элементами. Если связь между отдельными элементами, которая определяет степень влияния одного элемента на каждый из элементов, входящих в систему электроснабжения, и на всю систему в целом, определяется известными математическими зависимостями, которые заложены в программу, то построение модели каждого элемента системы является задачей, которую выполняет пользователь программы. Для обеспечения достоверности математической модели всей системы необходимо, чтобы модель каждого элемента в наибольшей степени соответствовала реальному элементу. Таким образом, для построения модели системы электроснабжения, необходимо обладать параметрами каждого из элементов, входящих в систему.
Программа, обеспечивающая построение математической модели и её последующий расчёт, должна обладать необходимым набором инструментов для построения моделей элементов системы электроснабжения с учетом наибольшего числа параметров элементов. Однако ещё на этапе построения модели следует определить, какие именно из элементов системы электроснабжения оказывают решающее влияние на работу, а какими из элементов можно пренебречь. Очевидно, что если предметом исследований является качество электроэнергии системы электроснабжения, то в модели следует учитывать мощное электрооборудование, содержащее элементы, способные оказывать влияние на показатели качества электроэнергии.
Снижение амплитуды высших гармоник за счет применения фильтрокомпенсирующих установок
При этом применение данного метода не представляет серьёзных трудностей с технической точки зрения, т.к. не требует реализации сложных законов управления фильтром при пуске или применения дорогостоящей аппаратуры.
В результате повышается срок эксплуатации элементов фильтрокомпен-сирующей установки за счет снижения неблагоприятных факторов, таких как броски тока, вызванные протеканием переходных процессов во время включения установки в сеть.
Таким образом, сочетание компьютерного моделирования работы системы электроснабжения с использованием уже известных формул позволяет не только наглядно представить режимы работы, но и выявить за счет анализа возможные проблемы при эксплуатации системы и предложить наиболее оптимальные пути решения.
Использование компьютерного моделирования позволяет также сократить временные и капитальные затраты на проведение необходимых опытов с системой электроснабжения. Еще на этапе проектирования новой системы или на этапе реконструкции старой можно оценить степень влияния параметров такой системы, а также негативных факторов на её будущую работу в реальных условиях. За счет этого снижаются возможные риски, связанные с выходом из строя оборудования в результате воздействия неблагоприятных факторов, обнаружить которые позволяет именно компьютерное моделирование работы всей системы в целом.
На параметры процессов, происходящих в системе, влияют параметры входящих в систему элементов. Максимально точный учет таких параметров позволяет получить наибольшее соответствие модели и реального объекта. За счет этого можно проанализировать работу реального объекта по его модели, выявить наиболее слабые стороны объекта и предпринять необходимые меры по совершенствованию объекта. 3.2. Модернизация пассивных фильтров для обеспечения наилучших условий фильтрации гармоник
В последнее время все более широко для подавления высших гармоник применяются гибридные и активные фильтры, как наиболее эффективные по сравнению с обычными фильтрокомпенсирующими установками.
Активные фильтры классифицируются на последовательные и параллельные, на источники тока и напряжения. Были созданы четыре базовые схемы. В качестве накопителя энергии в преобразователе - источнике тока используется индуктивность, а в преобразователе, служащем источником напряжения - ёмкость [40]. Гибридные фильтры являются компромиссным решением, сочетающим в себе фильтрокомпенсирующую установку и активную часть, позволяющую управлять резонансной частотой. Таким образом, становится возможным не только более точная настройка фильтра на резонансную частоту, но и регулирование этой частоты при отклонении частот гармоник в сети. Установленная мощность преобразователя активного фильтра может быть снижена до 10% и менее от мощности источника гармоник тока [20]. В результате очевидным преимуществом гибридных фильтров, по сравнению с активными, является их стоимость. Однако при проектировании гибридных фильтров необходимо принимать во внимание недостатки, присущие пассивным фильтрам и постараться их устранить.
Так, ранее было установлено, что при включении в сеть фильтрокомпен-сирующей установки происходят значительные броски тока. Эффективным средством борьбы с такими бросками тока является введение в цепь фильтра в момент включения дополнительного активного сопротивления, которое в последствии полностью выводится за короткий промежуток времени. Кроме того, наличие в цепи фильтра активного сопротивления негативно сказывается на фильтрующих свойствах, увеличивается сопротивление для резонансной гармоники. Таким образом, необходим фильтр с одной стороны обладающий достаточным сопротивлением, чтобы уменьшить броски тока при его включении, а, следовательно, обладающий большим активным сопротивлением, с другой стороны активное сопротивление фильтра должны быть минимально для достижения наиболее лучших условий фильтрации.
Для решения данной задач рассматривается случай, когда параллельно реактору фильтрокомпенсирующей установки подключается некоторый элемент с сопротивлением X. При этом считается, что все активное сопротивление фильтрокомпенсирующей установки сосредоточено именно в реакторе (рис. 3.9).
Влияние высших гармонических составляющих на работу системы электроснабжения
Через активное сопротивление отключаемого участка происходит рассеяние энергии в виде тепла, запасённой в индуктивности. Чем выше активное сопротивление отключаемого участка, тем быстрее будет происходить затухание возникающего колебательного процесса и тем меньшим по времени будет воздействие повышенного напряжения на отключаемый участок, и, следовательно, тем меньше вероятность выхода из строя оборудования в результате воздействия повышенного напряжения.
Также большое влияние на уровень перенапряжений при такого рода коммутациях оказывает величина ёмкости линии относительно «земли». При равном уровне запасённой в индуктивности энергии, уровень перенапряжений будет выше в той линии, где ёмкость относительно «земли» меньше. Ёмкость между кабельной линией и «землей», как правило, невелика и напрямую зависит от протяжённости кабельной линии. Именно с этой целью для недопущения высоких уровней перенапряжения и для скорейшего затухания переходного процесса во время отключения используют RC-цепочки. Ёмкость таких цепочек увеличивает общую ёмкость линии относительно «земли», а высокое активное сопротивление способствует скорейшему затуханию переходного процесса.
Ток, протекающий при отключении в отключаемом участке, как правило, невелик. Это объясняется невысокой ёмкостью кабелей относительно «земли». Если увеличить протекающий в результате перенапряжения ток, это позволит значительно снизить уровень энергии, запасаемой в индуктивности при очередном обмене энергиями с ёмкостью. По такому принципу работают нелинейные ограничители перенапряжения. Сопротивление таких элементов зависит от на 96 пряжения в сети и при некотором (недопустимо высоком для данного участка) напряжении сопротивление ограничителей падает практически до нуля. В результате это помогает за очень короткое время полностью ликвидировать опасное перенапряжение. По мере уменьшения напряжения на участке линии, сопротивление ограничителей вновь начинает расти и при нормальном напряжении приходит в норму.
В результате указанных мер, снижается уровень возникающих перенапряжений во время аварийных коммутаций, также снижается вероятность образования дуги между отдельными элементами электрооборудования отключаемого участка, а также между контактами высоковольтных выключателей. Особенно актуально снижение вероятности образования электрической дуги для маломасляных выключателей. В результате неверной эксплуатации таких выключателей, например при переливе или недоливе масла, несвоевременном контроле состояния масла и т.п., возможен взрыв из-за опасного повышения давления в камерах выключателя. Следует отметить, что в системах электроснабжения ЛПЦ-5 самое широкое применение нашли именно маломасляные выключатели типа ВМП-10П.
Выясним влияние на процесс отключения участка системы электроснабжения в результате аварии высших гармоник тока и напряжения, а также уровень возникающих перенапряжений в различных режимах работы системы. При этом принимаются следующие допущения: на возникновение дуги между контактами выключателя влияет уровень возникающих перенапряжений, описание процесса горения электрической дуги между контактами в расчете не участвует; рассмотрим два возможных режима работы системы - со включенными ФКУ (наименьший уровень высших гармоник) и без ФКУ (наибольший уровень высших гармоник); в системе электроснабжения отсутствуют устройства для снижения коммутационных перенапряжений на отключаемом участке.
В качестве места аварии (замыкание трех фаз между собой) выберем шины 10 кВ подстанции 1 РП. Отключение поврежденного участка проводится двумя маломасляными выключателями 1А и 1 Б типа ВМПЭ-10-3200-31,5. Время срабатывания устройств защиты 0,05 с - включает срабатывание релейной защиты и срабатывание выключателя. Напряжение после выключателя 1А (1Б) и ток в момент аварии приведено на рис. 4.2. Как видно из рисунка, при включенных в сеть ФКУ опасного перенапряжения не возникает. Следовательно, угрозы возникновения электрической дуги в результате перенапряжения и повреждения контактов выключателя в данном случае не наблюдается. Однако в момент отключения значительная энергия была запасена в самих ФКУ, и ей было необходимо рассеяться. Из-за малого активного сопротивления ФКУ, а также из-за низкой ёмкости между кабельной линией и «землей» возник процесс обмена энергией между всеми ФКУ (рис. 4.3).
Возникающие при отключении 1 РП колебания тока являются колебаниями повышенной частоты по отношению к частоте сети. Подобные колебания могут способствовать образованию дуги в месте замыкания. Кроме того, величина возникающего в момент отключения тока через ФКУ вполне может вывести из строя участки кабельных линий, соединяющие ФКУ и шинопровод 1 РП, а также оборудование самих ФКУ.
Сами шинопроводы 1 РП в результате высокочастотных колебаний тока с большой амплитудой могут быть подвержены опасным механическим колебаниям, в результате существует высокая вероятность разрушения.
Так как в момент замыкания через участок между шиноамиї РП и ФКУ будет протекать значительный ток, то сработает защита и выключатели между 1 РП и ФКУ и описанные выше колебания тока повышенной амплитуды и частоты будут длиться ограниченное время, необходимое для срабатывания защиты. В момент срабатывания возможны перенапряжения, в результате которых может возникнуть дуга между контактами выключателей ФКУ. Расчеты показывают, что данные напряжения могут достигать величины до 100 кВ.
