Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I Ввдение и постановка вопроса 4
1.1. Основные этапы развития промышленного электроснабжения 7
1.2. Постановка вопроса 14
ГЛАВА 2. Анализ существующего положения в ведущих отраслях промышленности Сирии 18
2.1. Основные положения 18
2.2. Рост установленной мощности приемников электроэнергии на обследованных предприятиях 20
2.3. Состав нагрузки обследуемых предприятий 23
2.4. Показатели качества электроэнергии 30
2.5. Основные выводы 40
ГЛАВА 3. Несимметрия напряжения и ее влияние на работу системы электроснабжения промышленных предприятий 42
3.1. Основные положения 42
3.2. Влияние несимметрии на работу основных приемников электрической энергии 47
3.3. Методы оценки несимметрии напряжений в системах электроснабжения промышленных предприятий 62
3.4. Выводы 70
ГЛАВА 4. Симметрирующие устройства 71
4.1. Основные положения 71
4.2. Существующие средства и способы симметрирования 72
4.3. Методика расчета симметрирующего устройства 85
4.4. Основные выводы 90
ГЛАВА 5. Технико-экономические аспекты применения симметрирующих устройств в условиях Сирии
5.1. Технические критерии необходимости симметрирования однофазной нагрузки 93
5.2. Критерии экономической целесообразности применения симметрирующих устройств но
5.3. О возможности применения планирования эксперимента для построения модели ущерба от несимметрии напряжения И4
5.4. Выбор факторов и области их определения Н6
5.5. Построение математической модели величины ущерба в сетях 10 кВ 119
5.6. Проверка адекватности аппроксимирующих полиномов и оценка значимости их коэффициентов 125
5.7. Црименение полученных результатов в условиях Сирии 131
5.8. Основные выводы 134
Заключение 136
Приложения 138
Литература 157
- Основные этапы развития промышленного электроснабжения
- Рост установленной мощности приемников электроэнергии на обследованных предприятиях
- Влияние несимметрии на работу основных приемников электрической энергии
- Существующие средства и способы симметрирования
Введение к работе
Сирийская Арабская Республика (САР) - аграрно-индустриальная страна с населением более 10 млн.человек. Территория, занимаемая САР, составляет более 185 тыс.гаьг.
38 лет назад из Сирии навсегда ушел последний иностранный солдат. С тех пор открылась новая страница в истории политического, экономического, социального и культурного развития Сирии.
На протяжении многих десятилетий Сирия была аграрным придатком развитых капиталистических стран. Экономика страны имела все отпечатки, характерные для экономически отсталых стран, зависящих от метрополий. Вся экономика страны зависела, в основном, от сельского хозяйства, основу которого составляли цитрусовые культуры. Промышленное производство было представлено главным образом нефтедобывающей и текстильной отраслями промышленности.
Пятидесятые и шестидесятые годы в экономическом развитии страны характеризуются общим подъемом во всех, ранее существовавших отраслях промышленности и созданием новых промышленных отраслей, крайне необходимых для планомерного, пропорционального развития экономики, для завоевания полной экономической независимости от капиталистических стран. Становление и развитие национальной промышленной базы в Сирии это одно из важнейших и наиболее примечательных проявлений социально-экономических сдвигов в стране за годы ее независимого развития.
После Революции 1963 г. часть народнохозяйственных проблем была решена. Успешно решается энергетическая проблема.
Сирийская энергосистема была создана в 1974 г. с вводом первых агрегатов Ефратской ГЭС мощностью 800 МВт, построенных с помощью СССР. В настоящее время энергосистема САР объединяет 13 наиболее крупных узлов потребления электроэнергии и включает в себя, кроме Ефратской ГЭС, три небольшие ТЭС мощностью 60-100 МВт каждая, расположенные в Дамаске, Хомсе, Халебе. Ведется строительство еще трех ТЭС в Дамаске, Таттусе и Хаме мощностью 300 МВт каждая.
В настоящее время энергосистема САР имеет суммарную мощность 1020 МВт. Питающая сеть энергосистемы в основном имеет номинальное напряжение 66 и 220 кВ. Сечение проводов ЛЭП 220 кВ одинаковое - АСО-400, провода подвешены на стальных опорах. В целом электроэнергетическая система САР характеризуется сравнительно низким максимумом потребляемой мощности. По этой причине она относится к категории, так называемых, малых систем. На рис.1.1
приведена система электроснабжения САР.
Потребление электроэнергии в САР за последние 20 лет непрерывно растет. Если в 1963 г. электропотребление на душу населения составляло 116 кВт-ч/чел, то в 1980 і , оно выросло до
В настоящее время можно с большой точностью судить о степени
развития той или иной страны по количеству потребления электроэнергии на душу населения. Если в промышленно развитых странах потребление электроэнергии на душу населения составляет 800 кВт«ч/
чел., то в развивающихся странах оно колеблется от 20 до 500 кВт ч/чел. Энергопотребление отражает не только экономический, но и культурный уровень развития страны.
Высший законодательный орган САР - Народный совет утвердил уже пятый пятилетний план на I98I-I985 гг. Его главная цель Гидроэлектростанции экономики. Основное внимание уделяется укреплению государственного сектора, в рамках которого планируется строительство крупных промышленных предприятий, дальнейшее развитие энергетики, добычи нефти.
Большую помощь Сирии в создании новых и развитии ранее не существовавших отраслей промышленности оказывает СССР. Наиболее яркими примерами этой плодотворной дружественной помощи являются создание нефтеочистительного завода в г.Хомсе, , завода электродвигателей в г.Латакия и ряда других крупных промышленных объектов.
Основные этапы развития промышленного электроснабжения
За годы независимого развития Сирии доля промышленности в общей структуре экономики страны значительно увеличилась. Так, в шестидесятые годы доля промышленности в валовом национальном продукте не превышала 20$. Наиболее развитыми отраслями были текстильная, пищевая и промышленность стройматериалов. Значительное развитие в конце пятидесятых годов получила нефтехимическая отрасль, сконцентрированная, в основном, в гг.Баньяс и Хомс.
Текстильная промышленность сосредоточена в наиболее крупных городах страны Дамаске и Халебе. Здесь еще в 1950 г. были пущены в эксплуатацию крупные по тем временам фабрики по производству ткани. Впоследствии эти фабрики неоднократно реконструировались и их установленная мощность увеличилась практически в три раза. В 1980 г. в г.Латакия при непосредственном содействий СССР был построен крупный текстильный комбинат.
Прирост валового продукта в промышленности идет за счет создания новых отраслей, а также посредством роста производи-тельности труда.
В экономике САР появились новые отрасли промышленности, продукция которых идет не только на внутренний рынок, но и экспортируется в другие арабские страны. К числу таких вновь созданных отраслей относятся электротехническая, бумажно-целлголозяая, машиностроительная, химическая отрасли промышленности. Основу этих отраслей составляют заводы, оснащенные современным оборудованием, закупленным как в странах социализма, так и в ряде капиталистических стран - Франции, Италии, например. Для наглядности на рис.1.2, приведена карта с размещением отраслей промышленности.
Центр электротехнической промышленности сосредоточен в г.Латакия. На базе старых электротехнических заводов, построенных в середине пятидесятых годов, был пущен в эксплуатацию в 1970 г. новый завод. Ассортимент выпускаемой продукции: электрические синхронные, асинхронные машины, микромашины. На этом заводе пущена линия для изготовления промышленных и бытовых холодильников; линия по производству алюминиевого профиля, проводов и кабелей. Кроме завода в г.Латакия в стране имеется еще три предприятия по выпуску холодильников и три завода по выпуску стиральных машин. К новой отрасли промышленности, созданной в шестидесятые годы, относится машиностроительная отрасль (автотракторная). Свое развитие машиностроительная отрасль берет от частного предприятия в г. Латакия по сборке тракторов из деталей, изготовленных в Италии. Впоследствии это предприятие было национализировано и на его основе в 1965 г. был пущен завод по сборке новых тракторов для сельского хозяйства. С 1968 г. на заводе был пущен в эксплуатацию цех по изготовлению запасных частей к тракторам и грузовым автомобилям. Производство машиностроительной продукции за последние 20 лет возросло в 3,5 раза. Заводы нефтехимической промышленности в гг.Баньяс и Хомс за последние 20 лет значительно расширились и на их базе была создана химическая отрасль промышленности по выпуску удобрений и красителей. Так, производство удобрений для сельского хозяйства возросло с 205 тыс.тонн в 1959 г. до 1,5 млн.тонн в 1979 г. В г.Дамаске реконструирован завод по выпуску лако-красоч-ных изделий для нужд строительной индустрии. Установленная мощность на заводе возросла вдвое. До 1970 года САР вынуждена импортировать из-за рубежа бумажно-целлюлозную продукцию. В 1970 г. в г.Дерзор пущен в эксплуатацию крупный бумажно-целлюлозный комбинат, продукция которого полностью удовлетворила потребности страны. Производство бумаги и картона за 12 лет возросло в два раза. За последние 20 лет значительно возросла установленная мощность на предприятиях пищевой отрасли промышленности. На ряде перерабатывающих заводов установленная мощность увеличилась в 2,5-3 раза. Развитие ранее существующих и создание новых отраслей промышленности, определяющих современную структуру национальной экономики,нашли свое отражение в энергетическом балансе страны. Характер структуры электропотребления в САР за последние 20 лет претерпел значительные качественные изменения. Так, если (см.табл.1-І) в I960 г. промышленность потребляла всего лишь [1] 1,3$ всей вырабатываемой электроэнергии, то на освещение ее тратилось более 96$. В 1979 г. доля промышленного электропотребле-ния составила уже 70%. Это явилось следствием последовательного развития национальной промышленности в соответствии с курсом, взятым партией Арабского Социалистического Возрождения Сирии (БААС).
Рост установленной мощности приемников электроэнергии на обследованных предприятиях
Состав нагрузки обследуемых предприятий не является стабильным, а меняется во времени с закономерной тенденцией непрерывного роста из-за изменения технологии, увеличения мощности приемников электрической энергии [її].
В общем составе нагрузки предприятий преобладают приемники электроэнергии напряжением до 1000 В. Нагрузка, создаваемая потребителями электроэнергии напряжением выше 1000 В, составляет более 10-12$.
Приемники электрической энергии можно разделить на две большие группы. Это приемники трехфазного тока и приемники однофазного тока, эксплуатация которых приводит к появлению некачественного напряжения, в частности, к яесимметрии режима напряжений и тока.
К первой группе относятся: 1. Силовые общепромышленные установки, включающие в себя вентиляторы, насосы, подъемно-транспортные устройства. Мощность таких установок изменяется в очень широком диапазоне: от доли кВт до десятков кВт. Такие потребители создают, в основном,нагрузку равномерную и симметричную по всем трем фазам. Толчки нагрузки имеются только при пуске. Исключение составляют подъем-нотранспортяые устройства, работающие в повторно-кратковременном режиме. Для таких устройств характерны постоянные и частые толчки нагрузки, которыеfв основном,приводят к колебаниям напряжения. Мощность силовых общепромышленных установок на предприятиях Сирии незначительна. 2. Двигатели производственных механизмов. Этот вид приемников электроэнергии занимает доминирующее место на промышленных предприятиях страны. Мощность двигателей чрезвычайно разнообразна и меняется в очень широких пределах. Так,на обследованных предприятиях в цехах автотракторного производства установлены металлорежущие станки с электродвигателями мощностью от 2 кВт до 70 кВт. Мощность электродвигателей производственных механизмов в цехах электротехнических и нефтехимических предприятий колеблется от 0,18 кВт до 200-300 кВт. Двигатели мощностью 200-300 кВт напряжением 10 кВ установлены на насосах и компрессорах в нефтехимических предприятиях. Мощность некоторых агрегатов в целлюлозно-бумажной отрасли также достигает 300 кВт и более. Данная группа приемников электроэнергии отрицательного влияния на показатели качества существенного влияния не оказывает [п]. Ко второй группе относятся приемники электрической энергии однофазного тока и некоторые установки трехфазного тока, как например, дуговые сталеплавильные и индукционные печи. Наличие этих приемников электрической энергии на предприятиях Сирии приводит к ухудшению качества электрической энергии, создается так называемая электромагнитная несовместимость. Она определяет степень взаимного влияния электрооборудования, при котором отсутствуют нарушения нормальной работы и снижение эффективности работы ниже определенного экономически обоснованного предела. Электромагнитная совместимость зависит от особенностей питающей сети. Так совместимость батарей конденсаторов и вентильных преобразователей определяется яе только параметрами преобразователей, но также схемой сети и мощностью короткого замыкания яа шинах,питающих эти нагрузки. При этом нагрузки могут оказаться несовместимыми в электромагнитном отношении даже при минимальном значении яесинусоидальности и несимметрии напряжений. Электромагнитная несовместимость приводит к сокращению срока службы изоляции, выходу из строя батарей конденсаторов при резонансном эффекте на какой-то гармонике частоты и другим нежелательным явлениям. В связи с этим более подробно проанализируем наличие таких приемников электроэнергии на обследованных предприятиях. Наибольшее количество таких приемников сосредоточено на автотракторном и электротехническом предприятиях, где имеется значительная доля нагрузки,создаваемая электротермическими установками. К ним относятся печи сопротивления, индукционные печи и печи со смешанным нагревом. Так, в чугуно-литейном цехе автотракторного завода установлены индукционные печи мощностью до 360 кВт марки ИАТ-0,4, ИЧТМ-1,0, ИЧТ-І яа напряжение 0,38 кВ, поставленные СССР. Имеются несколько печей типа ИГТ-І6 мощностью 560 кВт?напряжением 10 кВ, а также более мощные печи до 3000кВт. В цехе завода Л 2, где изготавливаются алюминиевые профили, имеются электрические печи сопротивления мощностью до 360 кВт, напряжением 10 кВ, термические печи и индукционные печи для алюминиевых сплавов мощностью до 2000 кВт. В некоторых цехах завода В I, ориентированных яа выпуск военной продукции, планируется установка более мощных печей для переплавки поврежденной в военных действиях техники.
Достаточно широко на заводах I и 2 применяют установки контактного нагрева труб, стержней, проволоки. Причем в установках контактного нагрева в процессе их работы имеет место значительный диапазон изменения потребляемой активной мощности и коэффициента мощности. Это явление обусловлено изменением теплоемкости, магнитной проницаемости и удельного электрического сопротивления нагреваемого изделия [8]. Мощность установок контактного нагрева достигает 500 кВт. Так,например, для закалки стальных заготовок применяется установка 0КБ-П7ІМ мощностью 500 кВт, напряжением 380 В. Имеется также ряд других установок, закупленных в Румынии и Болгарии.
Степень влияния электротермических установок на трехфазную питающую сеть зависит от многих факторов, основными из которых являются: I) величина активной мощности, потребляемой установкой,и диапазон ее изменения в процессе плавки и нагрева;
2) напряжение и мощность питающей сети в точке подключения однофазной нагрузки; 3) коэффициент мощности установки; 4) время плавки или нагрева; 5) количество установок в цехе [12].
Острая нехватка металла, необходимого для проведения ремонтных работ техники, поврежденной в военных действиях в 1973 г., способствовала тому, что на заводах № I и Л 2 срочно устанавливались электротермические печи. Это не могло не отразиться на увеличении потребления реактивной мощности и, как следствие этого, снижения COS ін . Так по имеющимся у нас данным за период с 1975 г. по 1980 г. на заводе $ I коэффициент мощности уменьшился с 0,89 до 0,789. На заводе $ 2 значение коэффициента мощности упало с 0,877 до 0,825. Диаграмма изменения COS H ПО годам приведена на рис.2.2.
К группе потребителей электроэнергии на обследуемых заводах, создающих не симметрию напряжения, относятся сварочные машины и осветительные установки.
Влияние несимметрии на работу основных приемников электрической энергии
Анализ, проведенный во второй главе диссертации,показал, что за последние 20 лет в промышленности САР значительно увеличились число и мощность несимметричных приемников электрической энергии Это преимущественно однофазные приемники, выполнить которые в трехфазном исполнении либо технически невозможно, либо вызывает значительное удорожание установки. Ряд таких установок, имеющихся на предприятиях Сирии, как индукционные плавильные и нагревательные печи, установки контактного нагрева, некоторые типы установок электрошлакового переплава, в зависимости от конструктивных или технологических особенностей, имеют в трехфазном исполнении более низкий коэффициент полезного действия. Наиболее распространенной группой крупных однофазных несимметричных нагрузок являются установки индукционного нагрева. Мощность этих установок колеблется от нескольких сотен до тысяч кВт.
Подключение несимметричных нагрузок к трехфазной сети вызывают в ней несимметричные режимы, которые нарушают нормальную работу трехфазных установок в ряде случаев приводя к преждевременному выходу из строя силового электрооборудования; [22]. Следует заметить, что даже при групповой установке однофазных электропечей в цехе и наличии возможности более равномерного распределения их по фазам питающей сети, то и в этом случае в последней наблюдаются несимметричные режимы, т.к. количество печей может быть не кратно трем, возможны простои отдельных печей, аварии, ремонт [23, 24]. Контроль состояний сетей в ряде обследованных предприятий САР показал, что в последних имеется несимметрия напряжений, превышающая допустимые нормы ГОСТа 13109-67. Несимметрия напряжений обусловлена как несимметрией параметров электрических сетей [25, 2б], так и несимметрией потребителей [27]. Работа энергосистемы при несимметричных режимах, когда несимметрия напряжений более допустимой, характеризуется возрастающей аварийностью двигателей и генераторов электростанций 28J.
Проанализируем влияние несимметрии напряжений и токов на работу основных групп приемников электрической энергии и отдельных элементов системы электроснабжения промышленных предприятий.
Асинхронные двигатели САД). На промышленных предприятиях Сирии этот вид приемников электрической энергии наиболее распространен. Известно, что асинхронные двигатели в большей мере, чем другие потребители, реагируют на несимметрию. Несимметрия напряжений в АД обусловливает изменение энергетических и экономических показателей [18 \.
Наибольшее влияние несимметрия напряжений оказывает на срок службы АД. При наличии даже незначительной по величине составляющей напряжения обратной последовательности возникает значительный ток обратной последовательности. Этот ток накладывается на ток прямой последовательности и вызывает дополнительный нагрев ротора и статора АД. Дополнительный нагрев АД возникает по причине появления дополнительных потерь мощности от яесимметрии напряжений. Потери мощности от яесимметрии напряжений приводят к дополнительному превышению температуры обмоток статора АД. Самое большое дополнительное превышение температуры возникает в том случае, когда в одной из фаз токи пряной и обратной последовательности складываются арифметически [18]. Значение величины потерь мощности можно определить из выражения [29]! Д гнем = 2(41дРм.н-КпКнсм , (з.б) где д Рм.н- номинальные потери мощности в меди статора АД; Кп - кратность пускового тока. Зависимость изменения дополнительных потерь мощности в обмотках АД приведена на рис.3.1. Интенсивное старение изоляции АД, являющееся следствием постоянного превышения температуры обмоток АД, приводит к значительному сокращению срока его службы и снижению располагаемой мощности на валу. Наглядно это положение может быть проиллюстрировано на рис.3.2, откуда ясно видно, что относительный срок D службы АД при несимметрии напряжений,равной 0,сокращается вдвое.
Существующие средства и способы симметрирования
Схема с трансформатором Скотта, емкостью и индуктивностью (рис.4.2а) была применена в 50-х годах фирмой США/ для установки мощностью 1000 кВ«А [51], и аналогичная схема, но без индуктивности (рис.4.3.б), была использована при питании однофазной электропечи для графитизации [8].
В настоящее время появилось несколько схем симметрирующих устройств с электромагнитными связями [44, 45], в которых трансформатор кроме выполнения своей основной функции, участвует и в симметрировании (рис.4.2.в.г). Анализ, проведенный в [45], показывает, что при симметрировании активной нагрузки наиболее полное использование мощности симметрирующих элементов в схеме рис.4.2.в достигается при числе витков на вторичной стороне трансформатора с соотношением 1:0,37:1. Схема на рис.4.2.г предназначена для симметрирования нагрузок с низким коэффициентом мощности. Точка подключения емкости к отпайке одной из обмоток трансформатора определяется фазовым углом нагрузки. Преимущество данной схемы заключается в отсутствии индуктивности и экономии суммарной мощности на трансформацию, компенсацию по сравнению с другими схемами. Однако при применении данной схемы возникают значительные трудности. Во-первых, конструкция трансформатора и место вывода отпайки зависят от коэффициента мощности нагрузки, что требует знания точного назначения последнего. Во-вторых, необходимость расчета части обмотки трансформатора на большой ток (до 60$ контурного тока нагрузки) приводит к усложнению конструкции трансформатора, увеличению его га баритов и стоимости. Если в схему на рис.4.2.г ввести индуктивность, как показано пунктиром, то устройство позволяет симнетри-ровать чисто активную нагрузку [45]. Существенным недостатком рассмотренных схем является необходимость применения специальных нестандартных трансформаторов. Кроме того, некоторые из этих схем (например, схема с трансформатором Скотта) имеют пониженный коэффициент мощности относительно трехфазной сети. Значительную группу симметрирующих устройств представляют схемы с применением автотрансформаторов или делителей напряжения, некоторые из которых показаны на рис.4.3 [8, 44]. В этих схемах автотрансформаторы не являются генераторами токов обратной последовательности и служат только для создания необходимого напряжения по величине и фазе на симметрирующих элементах в целях более полного их использования по мощности. Простейшей является схема, состоящая из делителя и индуктивности (рис.4.3.а) или емкости (рис.4.3.б). Если в этих схемах убрать делители, то получаются одноэлементные схемы, позволяющие симметрировать однофазную нагрузку с фиксированным фазовым углом (30). Коэффициент мощности сети при этом равен 0,5 [46]. Включение делителей позволяет симметрировать однофазную нагрузку при различных значениях угла 4 н и увеличить коэффициент мощности сети, максимальное значение которого может достигать 0,7 для схемы с индуктивностью и 0,87 - для схемы с емкостью. От угла Цн будет зависеть отношение плеч делителя, т.е. изменение.фазы нагрузки, которое влечет за собой необходимость переноса точки подключения индуктивности (емкости) к делителю. результате объединения двух рассмотренных схем. Схема обеспечивает симметрирование (разных токов при меняющейся по величине нагрузке путем изменения мощности лишь одного из элементов (либо емкости, либо индуктивности). Коэффициент мощности сети при этом остается достаточно высоким. Например, при изменении нагрузки от 100$ до 50$ номинального значения коэффициент мощности имеет значение не менее 0,95 [в]. Однако схема не может быть рекомендована к широкому применению ввиду своей сложности и наличия большого количества симметрирующих элементов. Симметрирующие устройства с электрическими связями имеют два основных исполнения: соединение элементов в звезду и треугольник (схема Штейнметца). Ограниченное применение имеют симметрирующие устройства с элементами, включенными по схеме трехлучевой звезды. При этом однофазная нагрузка может быть включена либо на линейное напряжение (рис.4.4.а), либо как луч звезды (рис.4.46) В этих схемах напряжения на симметрирующих элементах, а во втором случае и на нагрузке, зависят от параметров последней и могут изменяться в широких пределах [47]. Устройство по такой схеме может найти применение, если номинальное напряжение нагрузки или симметрирующих элементов выше номинального напряжения сети. Наибольшее распространение для симметрирования однофазных нагрузок получила изображенная на рис.4.5 схема Штейнметца [45] [46, 48]. Это обусловлено простотой схемы, включением симметрирующих элементов и нагрузки на линейное напряжение. Суммарная мощность симметрирующих элементов С и L составляет при этом 1,16 активной мощности нагрузки Ро .
