Введение к работе
Актуальность темы. Промышленные комплексы с непрерывными технологическими процессами по требованиям к надежности электроснабжения электроприемников относятся к первой категории. Для таких потребителей электроэнергии предусмотрено наличие нескольких независимых источников питания. Одновременные длительные отключения источников маловероятны. Практика эксплуатации подтверждает, что недостаточная надежность электроснабжения промышленных комплексов с непрерывными производствами обусловлена не столько длительными, сколько кратковременными нарушениями электроснабжения, проявляющимися в узлах нагрузки в виде провалов напряжения длительностью доли секунды. Такие провалы напряжения, обусловленные КЗ в протяженных внутренних и особенно внешних электрических сетях предприятия, могут приводить к потере устойчивости узлов с электродвигательной нагрузкой, сопровождаются массовыми отключениями электрооборудования. Особенно остро проблема устойчивости узлов нагрузки стоит для систем электроснабжения крупных нефтегазовых комплексов (нефте- и газоперерабатывающие заводы, нефтеперекачивающие станции магистральных нефтепроводов, электроприводные компрессорные станции магистральных газопроводов), которые характеризуются большой установленной мощностью электроприводов и непрерывными технологическими процессами, что обусловливает их чувствительность к кратковременным нарушениям электроснабжения. Массовые отключения электрооборудования нефтегазовых комплексов приводят к большим экономическим потерям.
Ранее выполненные исследования в большей степени ориентированы на математическое моделирование, выявление закономерностей и разработку решений при симметричных возмущениях в электроэнергетических и электротехнических системах (ЭТС). Исследованию устойчивости при несимметричных возмущениях посвящено значительно меньше работ, в то время как большинство провалов напряжения являются несимметричными ввиду того, что вызывающие их несимметричные возмущения (однофазные и двухфазные КЗ) возникают значительно чаще симметричных трехфазных КЗ. На долю несимметричных КЗ в распределительных и питающих сетях высокого напряжения (6 - 220 кВ) промышленных комплексов приходится до 90 % от общего числа КЗ, причем большая их часть приходится на сети внешнего электроснабжения. Исследованию устойчивости промышленных ЭТС при несимметричных возмущениях и посвящена данная работа.
Большой вклад в решение проблемы устойчивости электроэнергетических систем внесли В.А. Веников, А.А. Горев, Ю.Е. Гуревич, П.С. Жданов, К.П. Ковач, В. Лайон, Р. Парк, СВ. Страхов, Ю.Г. Шакорян и другие отечественные и зарубежные ученые.
Решению проблем устойчивости промышленных ЭТС посвящены работы СИ. Гамазина, В.Ф. Сивокобыленко, И.А. Сыромятникова и дру-
гих. Диссертационная работа основывается на результатах, полученных в трудах указанных ученых, а также результатах исследований, выполненных в рамках научной школы «Надежность, устойчивость и безопасность ЭТС нефтяной и газовой промышленности», основанной профессором Б.Г. Меньшовым в Российском государственном университете нефти и газа имени И.М. Губкина.
Цель работы заключается в установлении закономерностей влияния несимметрии напряжения при характерных возмущениях в электрических сетях на показатели устойчивости промышленных ЭТС для повышения надежности работы непрерывных производств.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
-
Разработать модели систем электроснабжения, позволяющие моделировать характерные несимметричные возмущения в сетях внешнего электроснабжения.
-
Выполнить численное моделирование несимметричных аварий в питающей сети для установления диапазона параметров несимметрии напряжения в основных узлах нагрузки ЭТС.
-
Выполнить анализ соответствия значений расчетных и экспериментальных параметров несимметрии напряжения при авариях в электрических сетях.
-
Разработать математические модели и алгоритмы расчета переходных процессов в разомкнутой ЭТС с асинхронными приводами при несимметричных возмущениях в электрических сетях.
-
Выполнить численное моделирование устойчивости ЭТС с асинхронными приводами при характерных несимметричных возмущениях и установить закономерности влияния несимметрии напряжения на показатели устойчивости.
-
Предложить рекомендации по выбору защит минимального напряжения и их параметров, обеспечивающих наиболее полное использование запаса устойчивости ЭТС при несимметричных возмущениях в электрических сетях.
Объекты и методы исследования. Объектами исследования явились промышленные ЭТС непрерывных производств нефтегазовой отрасли. В работе использовались положения и методы теории электрических цепей, теории электрических машин и электропривода, математическое и компьютерное моделирование ЭТС.
Научная новизна результатов исследований:
1. Разработанные схемные и математические модели систем электроснабжения позволяют моделировать характерные несимметричные возмущения в сетях внешнего электроснабжения с учетом влияния
электромагнитных процессов трансформаторов. Математические модели трансформаторов модифицированы с учетом магнитного насыщения стали сердечников.
-
С учетом влияния типов головных трансформаторов и удаленности места аварий впервые установлен и подтвержден по данным аварийных осциллограмм характерный диапазон коэффициента несимметрии напряжения в основных узлах нагрузки, позволяющий обосновано формировать возмущения при моделировании устойчивости ЭТС и учитывать реальный характер возмущений при решении вопросов выбора защит минимального напряжения.
-
Доказано, что в реальном диапазоне несимметрии питающего напряжения, границы устойчивости ЭТС определяются составляющей прямой последовательности и практически не зависят от составляющей обратной последовательности напряжения на основании чего уточнена формула для определения границы устойчивости ЭТС при несимметричных возмущениях.
Практическое значение работы:
-
Математические модели для моделирования несимметричных возмущений при авариях в сетях внешнего электроснабжения реализованы в программах ЭВМ и используются на практике для анализа аварийных режимов.
-
Для расчета параметров устойчивости ЭТС при несимметричных возмущениях разработаны расчетные процедуры, вошедшие в инженерную методику для газовой промышленности.
-
Рекомендации по выбору защит минимального напряжения и их параметров обеспечивают более полное использование запаса устойчивости, сокращают число массовых отключений электрооборудования многомашинных ЭТС, обеспечивая непрерывность технологических процессов.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
Модифицированные схемные и математические модели для моделирования несимметричных возмущений в сетях внешнего электроснабжения с учетом влияния электромагнитных процессов трансформаторов.
-
Результаты численного моделирования и обработки экспериментальных данных, позволившие установить диапазон параметров несимметрии питающего напряжения при несимметричных возмущениях в сетях внешнего электроснабжения.
-
Результаты моделирования переходных процессов в ЭТС при несимметричных возмущениях в электрических сетях, позволившие доказать, что границы устойчивости ЭТС определяются составляющей прямой последовательности и практически не зависят от составляющей напряжения обратной последовательности.
4. Рекомендации, обеспечивающие более полное использование запаса устойчивости ЭТС и сокращение числа массовых отключений и самоотключений электрооборудования при несимметричных возмущениях в электрических сетях.
Обоснованность и достоверность результатов обеспечивается применением апробированных методов и средств исследования устойчивости промышленных ЭТС, корректностью выбора и применения математического аппарата, а также достаточным информационным обеспечением математического моделирования и подтверждается результатами численных экспериментов и данными, полученными в ходе эксплуатации Астраханского ГПЗ.
Апробация работы. Основные результаты и положения работы докладывались и обсуждались на 62-й студенческой научной конференции «Нефть и газ - 2008», ІХ-й международной конференции «Новые идеи в науках о Земле», И-й Всероссийской научно-технической конференции «Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий» (2009 г.), Всероссийской научной конференции «Актуальные проблемы нефтегазового комплекса России - 2010», на научных семинарах кафедры теоретической электротехники и электрификации нефтяной и газовой промышленности РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина (2008-2011 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе 1 в издании, рекомендованном ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы. Общий объем работы составляет 146 печатных страниц. Работа включает 50 рисунков, 27 таблиц и библиографию из 51 наименования.
