Содержание к диссертации
Введение
1 Влияние провалов напряжения на работу электроприёмников металлургических предприятий 9
1.1 Анализ литературных источников и постановка задач исследования 9
1.2 Анализ статистики отключений потребителей вследствие провалов напряжения на металлургических предприятиях 26
1.3 Разработка рекомендаций по снижению влияния провалов напряжения на работу технологических агрегатов с помощью схемотехнических решений 35
Выводы 40
2 Математическое моделирование провалов напряжения и расчёт остаточных напряжений 41
2.1 Разработка методики эксперимента по исследованию провалов напряжения в распределительных сетях металлургических предприятий.. 41
2.2 Разработка классификации типов потребителей по степени чувствительности к провалам напряжения 62
2.3 Анализ зависимости уровня остаточных напряжений от параметров системы электроснабжения 64
2.4 Анализ влияния двигательной нагрузки на уровень остаточного напряжения при провале 75
Выводы 90
3 Разработка устройства для использования электроприводов на металлургических предприятиях в качестве компенсаторов провалов напряжения 91
3.1 Требования к электродвигателю, используемому в качестве компенсатора провалов напряжения 91
3.2 Исследование системы «компенсатор-потребитель» на базе асинхронного электропривода 93
3.3 Исследование системы «компенсатор-потребитель» на базе синхронного электропривода 116
Выводы 140
4 Разработка схемы управления устройством для защиты потребителейот провалов напряжения на базе синхронного электропривода 141
4.1 Требования к системе управления 141
4.2 Разработка логической схемы управления системой «компенсатор-потребитель» 145
4.3 Апробация устройства для защиты потребителей металлургических предприятий от провалов напряжения на базе синхронного электропривода 150
Выводы 157
Заключение 158
Библиографический список
- Анализ статистики отключений потребителей вследствие провалов напряжения на металлургических предприятиях
- Разработка классификации типов потребителей по степени чувствительности к провалам напряжения
- Исследование системы «компенсатор-потребитель» на базе асинхронного электропривода
- Апробация устройства для защиты потребителей металлургических предприятий от провалов напряжения на базе синхронного электропривода
Введение к работе
Актуальность работы. В последние десятилетия активным образом происходит повышение степени автоматизации технологических процессов на металлургических предприятиях. В этой связи всё большую долю среди потребителей электроэнергии на металлургических предприятиях занимают устройства на базе силовой электроники (частотно-регулируемые привода, тиристорные преобразователи и т.п.), а также микропроцессорной техники (промышленные контроллеры, устройства релейной защиты и автоматики, системы телемеханики и учёта электроэнергии), предъявляющие повышенные требования к качеству электроэнергии и электромагнитной совместимости.
В силу конструктивных и схемных особенностей данные потребители реагируют на кратковременные нарушения электроснабжения (КНЭ) длительностью порядка нескольких десятых секунды. Классические устройства автоматического включения резерва (АВР) и автоматического повторного включения (АПВ), предназначенные для восстановления питания потребителей, имеют время срабатывания порядка нескольких секунд. В результате при провалах напряжения нарушается работа чувствительных потребителей.
Вследствие нарушения работы отдельных чувствительных элементов происходят сбои в работе технологических агрегатов с высокой степенью автоматизации. Нарушение условий технологического процесса приводит к браку и недоотпуску продукции. В отдельных случаях возможно повреждение данных в системе автоматического управления технологическим процессом (АСУ ТП), что может привести к крупным авариям и повреждению дорогостоящего оборудования.
В связи с вышеперечисленным весьма актуальными являются вопросы повышения надёжности электроснабжения ответственных потребителей металлургических предприятий за счёт мер по защите от провалов напряжения, вызванных повреждениями в распределительной сети.
Целью работы является определение зависимости характера провала напряжения от параметров электрической сети, выявление критериев безотказной работы электроприёмников металлургических предприятий и разработка схемотехнических решений по обеспечению снижения влияния провалов напряжения на работу потребителей.
Идея работы заключается в применении электроприводов для защиты электроприёмников металлургических предприятий путём преобразования запасённой кинетической энергии в электрическую, что обеспечивает поддержа-
4 ниє остаточного напряжения на шинах чувствительных потребителей в изолированной системе «компенсатор-потребитель» и обосновании требуемых параметров системы.
Задачи работы:
анализ схем электроснабжения металлургических предприятий и статистических данных по нарушению работы технологических агрегатов из-за провалов напряжения;
сравнительный анализ схемотехнических решений по защите потребителей от провалов напряжения и разработка рекомендаций по их выбору в зависимости от особенностей схемы электроснабжения;
разработка математической модели и методики эксперимента, позволяющей исследовать влияние параметров системы электроснабжения на глубину и распространение провалов напряжения в электрических сетях;
составление классификации потребителей электроэнергии по степени чувствительности к провалам напряжения и разработка рекомендаций по проектированию электрических сетей с целью снижения влияния провалов напряжения на различные группы потребителей;
разработка математической модели и методики эксперимента, позволяющей исследовать способ компенсации провалов напряжения с помощью преобразования запасённой кинетической энергии электропривода в электрическую и определение требуемых параметров системы «компенсатор-потребитель»;
- разработка логической схемы управления системой «компенсатор-
потребитель», обеспечивающей защиту от провалов напряжения на время рабо
ты противоаварийной автоматики.
Научная новизна:
разработана математическая модель и методика эксперимента, отличающаяся от аналогичных упрощённым представлением внешней сети электроснабжения, что позволяет за небольшое время с инженерной точностью производить большое число расчётов остаточных напряжений в различных точках сети напряжением 110/10/0,4 кВ системы электроснабжения металлургических предприятий с учётом подпитки от двигателей среднего и низкого напряжения;
предложена классификация потребителей электроэнергии металлургических предприятий по степени чувствительности к провалам напряжения, отличающаяся тем, что различные типы потребителей разделены на три степени чувствительности к провалам напряжения, что позволяет производить оценку требований к качеству электроснабжения на уровне подстанций;
предложен новый системный подход к выбору технических решений по повышению устойчивости технологического процесса при кратковременных нарушениях электроснабжения, отличающийся от аналогичных сравнительным анализом достоинств и недостатков, а также результатов совместного применения технических решений на различных уровнях системы электроснабжения;
разработан способ защиты электроприёмников металлургических предприятий от провалов напряжения в системе электроснабжения с помощью электроприводов, отличающийся тем, что на время провала общие шины питания двигателя и потребителей отключаются от внешней сети, что позволяет поддерживать уровень остаточного напряжения на общих шинах в течение времени ликвидации повреждения устройствами релейной защиты и автоматики;
разработана схема управления устройством по защите потребителей от провалов напряжения с помощью запасённой кинетической энергии синхронного электродвигателя привода с большим моментом инерции, отличающаяся тем, что используется комплексное условие синхронизации по допустимому сверхпереходному току двигателя в момент включения, а также компенсация времени включения выключателя, учитывающая текущую скорость двигателя.
Практическая ценность состоит в том, что разработанный способ защиты электроприёмников металлургических предприятий от провалов напряжения в системе электроснабжения с помощью электроприводов позволяет поддерживать уровень остаточного напряжения на шинах чувствительных потребителей на время ликвидации повреждения устройствами релейной защиты и автоматики. Получены универсальные кривые, позволяющие подобрать требуемые параметры электропривода. Разработана схема управления устройством защиты потребителей от провалов напряжения с помощью синхронного электропривода, обеспечивающая реакцию на провал напряжения в сети внешнего электроснабжения и автоматическое повторное включение с контролем синхронизма по восстановлении питания.
Методы и объёмы исследования. В работе использовались методы математического моделирования, математической статистики и инженерного эксперимента. Теоретические изыскания производились на базе аналитической теории синхронной и асинхронной машины, теории электрических сетей и сопровождались разработкой математических моделей. При проведении расчётов и моделирования на ЭВМ использовался программный пакет MATLAB R2010a, а также входящее в его состав средство визуального программирования SIMULINK.
Достоверность результатов и выводов подтверждена формулировкой задач исследования, исходя из анализа электрических режимов подстанций металлургических предприятий, использованием положений теории электрических сетей, математическим обоснованием созданных зависимостей и разработанных моделей, сопоставимостью результатов моделирования с результатами расчётов и экспериментальными данными, полученными в производственных условиях ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат».
Реализация работы. Научные и практические результаты диссертационной работы внедрены в качестве рекомендаций при проведении перспективных разработок в цехах ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат». Разработки внедрены в учебный процесс ЛГТУ по специальности «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» при выполнении лабораторных работ по дисциплине «Релейная защита и автоматика».
Апробация работы. Положения в диссертации докладывались и подробно обсуждались на VII всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике» (Чебоксары, 2010); III международной научной заочной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии» (Липецк, 2011) и IX международной научно-практической интернет-конференции «Энерго- и ресурсосбережение - XXI век» (Орёл, 2011).
Публикации. По теме диссертации опубликовано шесть печатных работ, из них две в журнале, рекомендованном ВАК РФ.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка использованной литературы и 3 приложений. Общий объём диссертации - 182 с, в том числе 168 с. основного текста, 42 рисунка, 19 таблиц, библиографический список литературы 101 наименование на 9 с и 3 приложения на 14 с.
Анализ статистики отключений потребителей вследствие провалов напряжения на металлургических предприятиях
Одним из требований, предъявляемых потребителями к системе электроснабжения, является обеспечение качества электроэнергии. Показатели качества нормируются ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электроэнергии в системах электроснабжения общего назначения» [1]. В частности, одной из причин снижения качества электроэнергии является возникновение провалов напряжения в системе электроснабжения, иначе называемых кратковременными нарушениями электроснабжения (КНЭ). Согласно ГОСТ 13109-97 провал напряжения -это внезапное понижение напряжения в точке электрической сети ниже 0,9 ином, за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня через промежуток времени от десяти миллисекунд до нескольких десятков секунд. Провалы характеризуются длительностью, глубиной и частотой. Однако нормируемым параметром является только длительность провала напряжения; в электрических сетях напряжением до 20 кВ включительно она не должна превышать 30 с [1-3]. В последние годы в связи с широким распространением микропроцессорных устройств в системах управления, контроля и защиты повышенное внимание уделяется вопросу о влиянии провалов напряжения в распределительных сетях промышленных предприятий на работу ответственных потребителей.
Согласно статистическим данным, приведённым в ГОСТ 13109-97, в сетях российской энергосистемы преобладают провалы напряжения глубиной от 35 до 99% и длительностью порядка 1,5-3 секунд [1]. При этом подавляющее большинство провалов, от 70 до 90% в зависимости от наличия АВР на подстанциях и участков сети, выполненных воздушными линиями, является результатом повреждений в кабельных и кабельно-воздушных линиях напряжением 6-Ю кВ. При этом потребители, питающиеся по кабельным линиям, испы тывают до 10 провалов, а потребители кабельно-воздушных сетей до 25-30 провалов в год. Однако, применяя эти статистические данные на систему электроснабжения промышленных предприятий, следует учесть некоторые особенности таких сетей [4, 5]. Энергосистемы промышленных предприятий, как правило, имеют высокую концентрацию нагрузки, вследствие чего суммарная протяжённость кабельных линий значительно меньше, чем в системах электроснабжения городов, а питающие воздушные линии имеют значительную длину и электрическую связь с различными участками внешней системы электроснабжения. В связи с этим можно сделать вывод о том, что основной причиной провалов напряжения в распределительных сетях промышленных предприятий являются повреждения в воздушных линиях напряжением 110-220 кВ, поскольку они как правило, находятся на открытом воздухе, подвержены всем видам атмосферных воздействий и более предрасположены к возникновению коротких замыканий (КЗ) [5-9].
Характерной особенностью провалов напряжения в отличие от других показателей, влияющих на качество электроэнергии, является случайно-вероятностный характер их возникновения [5, 10-13]. Причиной провала может быть удар молнии в опору воздушной линии (ВЛ), ошибка обслуживающего персонала или ложное срабатывание устройств релейной защиты и автоматики (РЗиА). Появление провалов напряжения неопределенно по месту и по времени, относясь, таким образом, к случайным событиям, вероятность появления которых может быть определена только прогнозом [5]. По этой причине стандартом возможно нормировать лишь длительность провала напряжения, определяемую временем срабатывания устройств релейной защиты и противоава-рийной автоматики. Глубина и частость провалов напряжения являются вероятностными величинами. В связи с этим, основные усилия следует направить на оценку степени влияния провалов напряжения на различные типы потребителей электроэнергии и на исследование способов минимизации этого влияния до уровня, обеспечивающего бесперебойную работу ответственных потребителей при провалах напряжения в питающей сети [13-19]. Проведённые исследования позволили выявить несколько групп потребителей электроэнергии по степени восприимчивости к провалам напряжения и определить средние значения параметров провала, при которых устойчивость работы не нарушается. [10]. Результаты показывают, что устойчивая работа ряда групп потребителей нарушается при длительности провала напряжения всего в 1-3 периодов промышленной частоты. Длительность провалов напряжения обусловливается временем отключения повреждённого участка средствами РЗиА и восстановления питания средствами противоаварийной автоматики. Так как время срабатывания средств РЗиА имеет тот же порядок, можно сделать вывод о том, что обеспечить бесперебойную работу ряда ответственных потребителей путём своевременного действия РЗА в настоящее время крайне затруднительно [20-24].
На промышленных предприятиях в настоящее время практически все вновь вводимые в эксплуатацию агрегаты имеют микропроцессорные устройства управления, контроля и защиты. Современный электропривод имеет микропроцессорную систему управления, получающую сигналы от электронных датчиков. Технологические процессы, как правило, контролируются и управляются с использованием автоматизированных рабочих мест на основе персональных ЭВМ. Таким образом, большинство технологических процессов, использующих современное оборудование, чувствительны к провалам напряжения глубиной 15-25% и длительностью всего в несколько периодов промышленной частоты [25-28].
Большинство потребителей электроэнергии на промышленных предприятиях, в частности в металлургической промышленности, относятся к первой категории электроснабжения. Перерыв технологического цикла на большинстве производств недопустим, так как приводит к массовому браку продукции, повреждению дорогостоящего оборудования и, как результат, к значительному материальному ущербу и опасности для жизни и здоровья обслуживающего персонала. В связи с этим одной из серьёзнейших проблем, стоящих в настоя щее время на металлургических предприятиях, является обеспечение защиты электроприёмников от провалов напряжения в распределительных сетях.
Значительную часть мощности на промышленных предприятиях потребляют синхронные и асинхронные электродвигатели. Для асинхронных двигателей (АД) влияние провалов напряжения выражается с одной стороны в уменьшении момента на валу, а с другой стороны в появлении дополнительного тормозного момента, вызванного составляющей напряжения обратной последовательности [3]. При снижении напряжения момент двигателя может оказаться меньше момента нагрузки, что приведёт к аварийной остановке электропривода. Момент синхронного двигателя (СД) также снижается при провалах напряжения, но в меньшей степени. Однако для устойчивости синхронного двигателя важную роль играет наличие системы возбуждения с независимым питанием [5]. Работа СД и АД напряжением менее 1000В при провалах напряжения нарушается в основном из-за отпадания силовых контакторов, с помощью которых данные двигатели подключены к сети [29-31].
Особую важность на металлургических предприятиях представляет также обеспечение успешного самозапуска двигателей, что ограничивается технологическими параметрами. Так двигатели центробежных насосов и высокопроизводительных компрессоров с малым моментом инерции и высоким коэффициентом загрузки могут потерять устойчивость при провале напряжения длительностью 1-3 с, а в отдельных случаях и менее. Зачастую это время оказывается меньше времени восстановления напряжения устройствами РЗиА [5, 32-34].
Разработка классификации типов потребителей по степени чувствительности к провалам напряжения
Экспериментальная модель позволяет производить расчёт остаточных напряжений и исследовать распространение провалов напряжения в различных точках сети. В ходе анализа результатов экспериментов предполагается выявить зависимости глубины провалов напряжения у потребителей от конфигурации распределительной сети и места повреждения.
Приведённые выше опыты проводились при том условии, что вся нагрузка подстанций на напряжении 10 и 0,4 кВ является пассивной. В реальности нередко встречается двигательная нагрузка, подключаемая непосредственно к шинам подстанции через кабельные линии малой длины. При провале напряжения двигатели переходят в генераторный режим, превращаясь, по сути, в источники электроэнергии. Для металлургических предприятий наиболее характерными примерами являются кислородное производство насосные станции системы водоснабжения, основными потребителями которых являются насосы и компрессоры напряжением 6-10 кВ. Поэтому для исследования провалов напряжения на шинах потребителей 10 и 0,4 кВ необходимо учесть вариант схемы с наличием двигательной нагрузки.
Наиболее распространённым типом двигателей среди потребителей электроэнергии на металлургических предприятиях являются синхронные и асинхронные двигатели. По типу двигательной нагрузки подразделения металлургических предприятий можно разделить на три группы. Для кислородного производства и цеха водоснабжения характерна нагрузка в виде мощных синхронных электродвигателей, подключённых напрямую к шинам питающих подстанций. Для агломерационного и коксохимического производства характерна асинхронная двигательная нагрузка. В прокатных производствах применяются, как правило, регулируемые электропривода, подключённые к шинам через преобразователи, которые не допускают перехода в генераторный режим.
Поскольку математическое описание работы синхронных и асинхронных двигателей в динамических режимах достаточно громоздко, моделирование двигателей в программной среде Matlab Simulink является весьма ресурсоза-тратным процессом [42-44]. Моделирование работы всего одного асинхронного двигателя вкупе с разветвлённой системой электроснабжения не позволяет добиться приемлемой скорости расчётов даже с применением достаточно мощных вычислительных устройств. Поэтому в данном опыте принимается ряд упрощений. Двигатель в момент провала напряжения представляет собой источник энергии с определённым значением ЭДС и внутренним сопротивлением. Это позволяет моделировать его с помощью блока «Three-Phase Sourse». Параметры блока определяются на основе усреднённых данных для двигателей [96]. Основная разница в поведении синхронных и асинхронных двигателей во время провала напряжения заключается в несколько большем начальном значении ЭДС на выводах двигателя у перевозбуждённого СД (в среднем 1,05-U„) по сравнению с АД (в среднем 0,9-UH), а также в скорости затухания переходного процесса. Синхронные двигатели за счёт независимого возбуждения ротора позволяют дольше поддерживать высокий уровень ЭДС на выводах двигателя. Однако в данном опыте исследуются кратковременные нарушения электроснабжения длительностью 0,1-0,2 с. Поэтому для упрощения расчётов принимаем, что во время провала ЭДС двигателя остаётся неизменной. Учитывая незначительную разницу ЭДС на выводах синхронного и асинхронного двигателя (причём не всегда в момент провала напряжения синхронный двигатель будет находиться в режиме перевозбуждения), для упрощения расчётов в модели будем использовать параметры, вычисленные для асинхронного двигателя. ЭДС асинхронного двигателя в генераторном режиме определяется по формуле [96] Е" (и(0).со8Ф(0))2+ (U(0) sincp(0) - 1(0)х")2, (2.49) где U(0) - напряжение на выводах двигателя в момент времени, предшествующий повреждению; 1(0) - ток двигателя в момент времени, предществующий повреждению; ф(0) - коэффициент мощности в момент времени, предшествую щий повреждению; х” - сверхпереходное индуктивное сопротивление обмоток двигателя.
Сверхпереходное индуктивное сопротивление асинхронного двигателя рассчитывается, исходя из его паспортных данных по формуле [96] Кп (2.50) где Кп - кратность пускового тока двигателя по отношению к номинальному при пуске от полного напряжения; для асинхронных двигателей обычно Кп=5-7. Индуктивное сопротивление двигателя рассчитывается на основе сверхпереходного по формуле [96] Л X = X"-—2-, (2.51) где UH - номинальное напряжение двигателя; SH - номинальная полная мощность двигателя. Р SH= а , (2.52) rH-coscpH где Рн - номинальная активная мощность двигателя; Рн - номинальный КПД; созфн- номинальный коэффициент мощности. Активное сопротивление двигателя определяется по формуле [91] г = "- ] (2.53) 100 S „ где sH0M% - номинальное скольжение в процентах. Используем в качестве примера параметры двигателя 4АЗМ-1000/10000 УХЛ4: Рн=1000 кВт; UH=10 кВ; IH=68,3 А; sH=0,9%; КПД=96%; coscpH=0,88; Кп=7 [36]. ЭДС двигателя определим, исходя из условия, что двигатель в момент времени перед повреждением работал в номинальном режиме [96] E"=V(U(0) -COS(P(0))2 +(U(0) -sin(P(0) l(0)xf (2.54) Для того чтобы смоделировать воздействие нескольких двигателей, можно использовать эквивалентный двигатель, пересчитав соответствующим образом его сопротивление.
Для анализа результатов экспериментов по моделированию провалов напряжения необходимо определить критерии оценки их влияния на потребителей. Условно их можно разделить на несколько групп.
К первой группе относятся потребители, не имеющие особых требований к данному параметру качества напряжения. К ним, в частности, относятся нерегулируемые синхронные и асинхронные электропривода. Защита минимального напряжения на таких двигателях обычно выполняется на 60-65% от Uн, а время срабатывания составляет 0,5-0,65 с [86]. Эти значения можно принять за критические параметры провала напряжения для большинства неответственных потребителей, при которых их работа нарушается. Для таких потребителей можно условно принять третью степень чувствительности к провалам напряжения.
Исследование системы «компенсатор-потребитель» на базе асинхронного электропривода
Результаты моделирования показывают, что наличие двигательной нагрузки повышает величину остаточного напряжения на шинах потребителей 10 кВ. При этом остаточное напряжение на шинах 110 кВ РП практически не изменяется, так как трансформаторы ГПП обладают значительным сопротивлением. В данном опыте повышение остаточного напряжения на шинах ГПП составило около 10%) на секции с двигательной нагрузкой и около 5% на секции, запитанной от другой полуобмотки трансформатора.
На основании полученных результатов можно сделать вывод о том, что двигательная нагрузка имеет способность демпфировать провалы напряжения во внешней сети, причём эта способность достаточно резко снижается по мере электрического удаления от точки подключения. Демпфирующая способность несколько усиливается для потребителей низкого напряжения. Следует отметить тот факт, что генераторы ТЭЦ при провалах напряжения ведут себя подобно асинхронным двигателям, с тем отличием, что ЭДС на выводах перевозбуждённого генератора оказывается на 5-7% выше номинального напряжения. Можно сделать вывод о том, что генераторы ТЭЦ также выступают демпфером провалов напряжения для близлежащих потребителей. Поэтому при построении системы электроснабжения металлургических предприятий следует стре миться к обеспечению связи ТЭЦ и заводских РП для уменьшения влияния провалов напряжения во внешних сетях.
Определённым недостатком наличия двигательной нагрузки на шинах подстанций является увеличение токов короткого замыкания. В данном примере наличие восьми двигателей мощностью по 1000 кВт даёт увеличение остаточного напряжения на шинах ГПП на величину около 10%, а подпитка точки КЗ составляет
Согласно результатам опытов из таблицы 2.1 для достижения аналогичного результата требуется повысить величину тока короткого замыкания примерно на 15 кА, что неминуемо приведёт к необходимости увеличения габаритов выключателей. Таким образом, повышение остаточного напряжения на шинах потребителей за счёт двигательной нагрузки возможно в более широких пределах без необходимости замены коммутационных аппаратов.
Ещё одним недостатком наличия двигателей на шинах потребителей является провал напряжения при пуске и самозапуске. Эту проблему можно решить за счёт использования режимов мягкого пуска и исключения самозапуска при потере питания за счёт срабатывания защиты минимального напряжения. Исходя из этих условий, очевидно, что для поддержания остаточного напряжения на шинах потребителей следует применять двигатели, питающие неответственные механизмы, работающие с равномерной нагрузкой.
Для более подробного изучения влияния мощности двигательной нагрузки на остаточное напряжение потребителей на шинах 10 кВ ГПП проведём серию экспериментов, задавая различные величины токов короткого замыкания от системы, удалённости точки КЗ от шин 110 кВ и суммарной мощности двигательной нагрузки. Результаты экспериментов сведены в табл.2.4. Таблица 2.4
Величина остаточного напряжения у потребителей 10 кВ в зависимости от удалённости точки трёхфазного КЗ в сети 110 кВ от шин питающей подстанции, значения токов короткого замыкания от системы и мощности двигательной нагрузки на секции Ток КЗот системы Длина линии, км Мощность двигательной нагрузки, кВт 1000 4000 8000 16000
Результаты экспериментов показывают, что степень демпфирования провалов напряжения за счёт наличия двигательной нагрузки напрямую зависит от мощности системы и степени удалённости точки КЗ от шин ПО кВ. Чем выше мощность системы и дальше место повреждения, тем меньшее влияние на остаточное напряжение у потребителей оказывает двигательная нагрузка на напряжении 10 кВ. В ходе предыдущих экспериментов выяснено, что наиболее опасными являются повреждения на питающих линиях подстанции 110 кВ, степень удалённости которых не превышает 5-7 км. При таких повреждениях даже с большой мощностью короткого замыкания на шинах РП-110 кВ остаточное напряжение у потребителей оказывается весьма низким. Двигательная нагрузка на шинах 10 кВ позволяет повысить уровень остаточного напряжения на 5-15% при близких повреждениях, дополняя, таким образом, схемотехнические решения по увеличению мощности короткого замыкания на шинах 110 кВ. Поэтому можно рекомендовать при планировании системы электроснабжения размещение нескольких двигателей с равномерной нагрузкой на секции ГГШ, от которой питаются ответственные потребители. Это позволит значительно снизить глубину провала напряжения при близких повреждениях в распределительной сети ПОкВ.
Рассмотрим особенности влияния двигательной нагрузки на величину остаточных напряжений при однофазных коротких замыканиях в сети ПО кВ. Для этого используем математическую модель, аналогичную вышеописанной. Мощность сети соответствует трёхфазному току короткого замыкания 30 кА. Удалённость точки КЗ от шин 110 кВ составляет 5 км. Мощность двигательной нагрузки составляет 8000 кВт.
На основании результатов эксперимента можно сделать вывод о том, что влияние двигательной нагрузки на величину остаточного напряжения при однофазных КЗ в сети ПО кВ менее выражено, чем при трёхфазных провалах. В данном опыте наибольший прирост остаточных напряжений наблюдается на шинах 10 кВ и составляет около 2%, тогда как при трёхфазном провале в аналогичной системе увеличение остаточного напряжения достигает 6%. Двигательная нагрузка оказывает влияние на несимметрию напряжений. Максимальное из трёх фазных или линейных напряжений несколько снижается (до 1% в данном опыте), а разница между оставшимися напряжениями составляет до 2%. В результате можно сделать вывод о том, что двигательная нагрузка заметно менее эффективно демпфирует провалы напряжения, вызванные однофазными короткими замыканиями. Результаты моделирования сведены в табл.2.5.
По результатам проведённых экспериментов можно сказать, что хотя двигательная нагрузка определённо оказывает положительное влияние на величину остаточного напряжения на шинах потребителей, её влияние слишком незначительно для использования в целях компенсации провалов напряжения на уровне ГПП. Но поскольку двигатели эффективно демпфируют провалы напряжения лишь на своём уровне напряжения, а большинство уязвимых к провалам напряжения потребителей питаются на напряжении 0,4 кВ, следует рассмотреть влияние на остаточное напряжение потребителей двигательной нагрузки на напряжении 0,4 кВ.
Апробация устройства для защиты потребителей металлургических предприятий от провалов напряжения на базе синхронного электропривода
Из перечисленных типов возбуждения двигателя наименьшее снижение ЭДС при выбеге даёт глухозакреплённый электромашинный возбудитель, скорость (и ЭДС) которого снижается вместе со скоростью ротора двигателя. Наибольшее снижение ЭДС достигается за счёт включения обмотки ротора на разрядное сопротивление [100]. Однако очевидно, что наиболее неприемлемые характеристики выбега синхронного двигателя по условиям самозапуска одновременно являются наиболее предпочтительными для двигателя, используемого в качестве компенсатора провалов напряжения. Для этой цели наиболее оптимальным является статический тиристорный возбудитель, поддерживающий номинальное напряжение на обмотке ротора даже при отключении питания со стороны статора. Для этого возбудитель должен иметь независимый источник питания. Тогда уравнение (3.43) будет выглядеть следующим образом
В случае питания возбудителя и двигателя с одних шин ток возбуждения будет изменяться по формуле (3.38) аналогично глухозакреплённому электромашинному возбудителю, что также обеспечивает достаточно медленную скорость снижения ЭДС двигателя.
Голодновым Ю.М. приведены сравнительные характеристики ЭДС синхронного двигателя при выбеге с различными системами возбуждения [100]. В качестве примера использовался двигатель с номинальными параметрами: Рн=1350 кВт; UH=6 кВ; 1Н=171 А; а 0=1000 об/мин; cosq =0,85. Рассчитаем аналогичную характеристику для выбега с сохранением номинального напряжения на обмотке ротора. В примере использовался случай с ненагруженным двигателем, для получения большей длительности выбега и определения характера зависимости эдс от времени выбега. В рабочем режиме до выбега двигатель имел следующие показатели:
Графики показывают, что сохранение номинального напряжения возбуждения позволяет существенно замедлить темп снижения ЭДС двигателя при потере питания со стороны статора. Однако данные графики отражают процессы, происходящие лишь при свободном выбеге, когда цепь статора двигателя является разомкнутой и не содержит никаких дополнительных элементов. Очевидно, что при наличии в цепи статора нагрузки скорость двигателя будет снижаться быстрее из-за дополнительного тормозного момента. Однако за счёт увеличения момента инерции агрегата возможно продление периода времени, в течение которого на нагрузке будет поддерживаться достаточный уровень остаточного напряжения. Расчёты переходных процессов в такой системе значительно усложняются. По этой причине наиболее целесообразным является исследование возможности применения синхронного двигателя в качестве компенсатора провалов напряжения с помощью метода математического моделирования.
Модель синхронной машины представлена в программном пакете Matlab Simulink в виде блока Synchronous Machine. Входные параметры могут задаваться как в относительных единицах, так и в системе СИ. При создании модели использована схема замещения синхронной машины в системе координат, связанной с ротором (в осях d-q). Эта схема описывается системой дифференциальных уравнений 5-го порядка [42]
Проводимый эксперимент происходит следующим образом. Синхронный двигатель разгоняется до подсинхронной скорости и втягивается в синхронизм после подачи возбуждения. В установившемся режиме происходит отключение электромеханической системы, состоящей из двигателя с приводным механизмом (моделируется нагрузкой на валу) и потребителей, на выводах которых следует поддерживать остаточное напряжение во время провала (моделируются сосредоточенной электрической нагрузкой). Во время выбега двигателя записываются величины остаточных напряжений на выводах потребителей. Целью эксперимента является выявление зависимости степени снижения остаточного напряжения от коэффициента загрузки двигателя, момента инерции агрегата и отношения мощности нагрузки к мощности двигателя. Для унификации резуль 126 татов моделирования полученные графики строятся в относительных единицах. В связи с этим возможно использование готовых конфигураций синхронных машин из пакета Matlab Simulink, оптимизированных под моделирование в данной среде. Модель для проведения эксперимента представлена на рис.3.10. На рис.3.11 приведён график действующего значения остаточного напряжения для следующего набора характеристик системы «компенсатор-потребитель»: kn=0,5; кз=0,5; JZ=40-JHJIB. Такая конфигурация рассматриваемой электромеханической системы обеспечивает поддержание уровня остаточного напряжения в течение достаточно длительного времени вкупе с характерным видом кривой снижения действующего значения остаточного напряжения на шинах потребителей. Поэтому данный набор параметров будет использоваться в качестве точки отсчёта для дальнейших исследований.
Увеличить ЭДС синхронного двигателя при отключении питания можно с помощью форсировки возбуждения. Однако так как в системе «компенсатор-потребитель» потребители электроэнергии имеют мощность не превышающую мощность двигателя, излишняя форсировка возбуждения приведёт к недопустимым перенапряжениям. Для определения оптимального уровня форсировки проведён ряд экспериментов на основе модели, приведённой на рис.3.10. В момент отключения системы от внешней сети производится форсировка возбуждения и измеряется величина остаточного напряжения в момент времени 1=0,2 с. Как видно из рис.3.11, в этот момент времени график действующего значения напряжения проходит точку максимума. Оптимальным принимается уровень форсировки, при котором величина остаточного напряжения является максимальной, но не превышающей допустимое значение 1,1-U„. Результаты моделирования сведены в табл.3.4. Как видно из таблицы, оптимальной является кратность форсировки возбуждения равная 2. Этот параметр будет использоваться в дальнейших экспериментах.
