автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Обеспечение безотказности систем электроснабжения промышленных предприятий за счет новых средств компенсации негативных факторов

На правах рукописи

Зацепина Виолетта Иосифовна

ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОТКАЗНОСТИ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ ЗА СЧЕТ НОВЫХ . СРЕДСТВ КОМПЕНСАЦИИ НЕГАТИВНЫХ ФАКТОРОВ

Специальность 05.09.03 -«Электротехнические комплексы и системы»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

005546724

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет» на кафедре электрооборудования

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Шпиганович Александр Николаевич

Официальные оппоненты:

Ершов Михаил Сергеевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина» профессор, заведующий кафедрой. Теоретической электротехники и электрификации нефтяной и газовой промышленности

Жилин Борис Владимирович, доктор технических наук, доцент, Новомосковский институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева», профессор кафедры, заведующий кафедрой Электроснабжения промышленных предприятий

Шевырев Юрий Вадимович, доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет», профессор кафедры Электрификации и энергоэффективности горных предприятий

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тульский государственный университет», кафедра «Электроэнергетика»

Защита диссертации состоится «20» июня 2014 года в 1230 на заседании диссертационного совета Д 212.108.01 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет» по адресу: 398600, г. Липецк, ул. Московская 30, административный корпус, ауд. 601.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет» Автореферат разослан « » марта 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

В. И. Бойчевский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Намеченная стратегия России до 2030 перехода экономики на инновационный путь предусматривает развитие энергетического сектора страны. Снижение удельной энергоемкости является при этом центральной задачей энергетической политики, связанной с перестройкой всего хозяйственного механизма, существенно повышающего надежность и качество выпускаемой продукции. Использование промышленными предприятиями современной технологии производства, оснащения передовой техникой приводит к увеличению производительности труда, снижению себестоимости продукции, повышению культурно-технического уровня и квалификации рабочих. Все решения должны осуществляться на основе научно-технического прогресса, обуславливающего техническое перевооружение и реконструкцию производства, интенсивное использование созданного производственного потенциала, совершенствования системы управления. Повышение производительности труда неразрывно связано с интенсификацией технологических процессов, увеличением электропотребления и энерговооруженности. Из-за ввода в действие новых более мощных по производительности технологических машин происходит прирост потребления электрической энергии. Отказы электрического оборудования вызывают изменение параметров технологического процесса, вызывая материальные убытки в результате недовыпущенной продукции и затраты на ремонт отказавшего оборудования. Цена их становится все более ощутимой. Поэтому проблема повышения эффективности функционирования производственных процессов предприятий при воздействии комплекса негативных факторов на систему электроснабжения посредством анализа и рационального управления параметрами безотказности систем имеет важное народнохозяйственное значение.

Настоящая работа посвящена как общим проблемам теории безотказности иерархических систем электроснабжения, так и реализации задач снижения динамического воздействия негативных факторов на их эффективность функционирования, причем с выделением из композиции совместного воздействия наиболее опасных факторов и их компенсацией в первую очередь. Выполненные до настоящего времени исследования относятся к количественной оценке безотказности систем и их электрооборудования, не учитывающие воздействие отказов на характеристики производственных процессов и работу технологических машин. Рассматривать безотказность систем электроснабжения изолированно от других систем, таких как системы автоматики и релейной защиты, значит не использовать весь комплекс мероприятий на повышение безотказности электроснабжения. Объединяющим в нашем случае является конечный продукт производства, на получение которого направлено действие всех систем, в том числе и системы электроснабжения.

В связи с этим решение проблемы рациональног о управления безотказностью систем электроснабжения и оценки эффективности мероприятий по компенсации детерминированных по уровню воздействия негативных возмущений, позволит обосновать и разработать методы и средства, обеспечивающие анализ и

рациональное управление параметрами функционирования систем электроснабжения, что представляет собой сложную и весьма важную для практики задачу.

Степень разработанности темы исследования. Исследования, проводимые по настоящее время, посвящены в подавляющем большинстве случаев количественной оценке параметров безотказности и отображают результаты, не учитывающие воздействия перерывов в электроснабжении на характеристики производственных процессов и работу технологических машин. Безотказность систем электроснабжения нельзя рассматривать отдельно от работы технологической системы, системы автоматики, теплоснабжения, транспорта, и т. д. Чтобы получить оптимальный уровень параметров функционирования технологических систем предприятий, следует использовать комплекс взаимодействующих мероприятий, обеспечивающих повышение эффективности функционирования электроснабжения. Поэтому, необходимо оценивать безотказность систем электроснабжения с учетом взаимодействия электрооборудования с оборудованием других систем производств промышленного предприятия. Основным является выпускаемая продукция, на ее получение направлено действие всех систем, в том числе и системы электроснабжения. Следовательно, для решения поставленной проблемы целесообразен методологический подход, объединяющий исследование функционирования технологических процессов и систем электроснабжения с последующим развитием теоретических основ потоков случайных событий. Потоки случайных событий могут использоваться как в качестве математических моделей, описывающих протекание выпуска продукции и работу систем электроснабжения. Многоцелевой анализ безотказности систем электроснабжения с оценкой эффективности мероприятий по ее повышению с учетом поточно-цикличного производства и взаимосвязей электрического оборудования с функционированием технологических машин даст возможность всесторонне обосновать и разработать методы и средства, оптимизирующие параметры электроснабжения промышленных производств.

Целью работы является развитие теории безотказности систем электроснабжения с учетом функционального взаимодействия электрооборудования с технологическими машинами и создании на ее основе методов и средств, обеспечивающих анализ и рациональное управление параметрами безотказности систем электроснабжения при интенсивном воздействии комплекса негативных возмущающих факторов в сложных условиях производств.

Основной задачей работы является развитие в теоретическом и практическом плане основ анализа и управления безотказностью иерархических систем электроснабжения с оценкой целесообразности эффективности применения методов разложения на отдельные возмущения совместного комплекса факторов и средств первоочередной компенсации наиболее опасных из них.

Научная новизна работы заключается в:

- разработке структурно-функциональной модели системы электроснабжения с учетом взаимодействия электрооборудования с технологическими машинами, отличающейся учетом влияния на функционирование системы случайных негативных факторов и их композиций;

- выявлении новых закономерностей изменения функционирования техно-

логической системы, вызванного воздействием отдельных негативных возмущающих факторов и их композицией в системе электроснабжения, для оценки мероприятий, повышающих безотказность электрической системы;

- получении новой методики определения коэффициентов кратности частот, позволяющей по алгебраическим зависимостям рассчитывать спектры частот через параметры системы электроснабжения и характеристики возмущений, при которых наблюдаются экстремальные значения токов и напряжений при наличии негативных факторов;

- разработке нового математического описания анализа спектра гармонических составляющих в узлах систем электроснабжения, позволяющего выявлять закономерности возникновения резонансных явлений на высших гармониках, отличающегося использованием коэффициентов кратности частот при учете характеристик системы;

- разработке математического описания анализа влияния негативных факторов на изоляционные конструкции электрооборудования, позволяющего оценивать влияние параметров выбросов напряжений на эффективность и безотказность функционирования систем электроснабжения отличающееся учетом влияния загрязнений на равномерность распределения напряжения вдоль изоляционной конструкции;

- разработке математического описания функционирования восстанавливаемых систем при воздействии случайных факторов, приводящих к постепенным и внезапным отказам элементов с учетом коэффициентов эффективности вида резервирования, для оценки мероприятий, повышающих безотказность всей системы электроснабжения, а не отдельных ее элементов;

- в разработке методики оценки негативного воздействия взаимосвязанных, зависимых факторов на эффективность функционирования систем электроснабжения, основанной на разложении спектра совместного действия негативных факторов на отдельные возмущающие факторы и позволяющей определить влияние выделенного фактора или отдельных их сочетаний на функционирование систем;

- в разработке методики обоснования рационального применения комплекса мероприятий, обеспечивающих рациональные параметры безотказности электрических систем предприятий, на основе разделения источников негативных возмущающих факторов, учете приращения тока и диэлектрических потерь, использования комплекса статической и динамической компенсации зависимых возмущающих факторов с обоснованием очередности их компенсации по значимости воздействия на функционирование системы электроснабжения.

Теоретическая значимость работы состоит в разработке:

- модели функционирования системы электроснабжения с учетом структурно-функциональной взаимосвязи электрооборудования с технологическими машинами, при воздействии спектра случайных негативных факторов, применимой для любых промышленных объектов;

- математического описания функционирования восстанавливаемых систем при воздействии случайных негативных возмущений, вызывающих внезапные и постепенные отказы электрооборудования или отдельных его соединений

с применением коэффициентов эффективности вида резервирования, позволяющего получать параметры работы систем при использовании различных видов резервирования электрооборудования;

- зависимостей для анализа воздействия различного уровня перенапряжений на изоляционные конструкции в случае наличия поверхностного загрязнения при оценке безотказности и эффективности функционирования систем электроснабжения;

— методики оценки воздействия композиции негативных возмущений на эффективность функционирования систем электроснабжения, основанной на разложении спектра совместного их действия на составляющие с определением степени влияния выделенных возмущений или ограниченного их спектра на функционирование электрической системы любой сложности;

- методологии обоснования выбора мероприятий, обеспечивающих рациональные параметры безотказности и эффективности функционирования систем электроснабжения при воздействии комбинации взаимосвязанных негативных факторов и использовании комплексов активного динамического подавления возмущений, детерминированных по уровню их воздействия на безотказность электроснабжения.

Практическая значимость работы заключается в разработке универсальных обобщенных зависимостей, позволяющих определять безотказность систем электроснабжения при воздействии комплекса негативных возмущений по известным параметрам электрооборудования. В результате оказалось возможным в условиях действующих крупномасштабных производств выявлять причины неэффективной работы систем электроснабжения. Разработаны инженерные методы и технические средства регулирования параметров безотказности систем с учетом коэффициентов связи и бесперебойным обеспечением электрической энергией приемников. Созданы предпосылки промышленного внедрения в России новых устройств, позволяющих из комплекса возмущающих факторов выделять и компенсировать основные возмущения, и предотвращающих развитие аварий в системах; экспериментально подтверждена их эффективность.

Методология и методы исследования. В работе использован комплексный подход исследования, включающий достижения в области электроснабжения, теорию сложных систем, элементы дифференциального и интегрального исчисления, теорию случайных процессов, теорию надежности, теорию вероятностей, методы математической статистики и моделирования с применением вычислительной техники. Экспериментальная оценка полученных результатов по повышению безотказности систем электроснабжения промышленных производств проводились в условиях реальных металлургических предприятий, которые выступают в качестве объекта исследования.

Оценка безотказности систем электроснабжения и их электрооборудования производилась путем обработки данных экспериментальных исследований методами математической статистики. Описание электрооборудования, установление его взаимосвязей с технологическими машинами, исследование влияния перерывов в электроснабжении на технологический процесс и определение эффективности мероприятий по повышению безотказности электроснабжения

осуществлялось с применением вероятностного подхода, теории надежности и теории сложных систем, методов технико-экономического анализа и сравнения вариантов с широким использованием вычислительной техники.

Положения, выносимые на защиту:

1. В работе обоснованы эксплуатационные возможности систем электроснабжения промышленных предприятий определяемые их структурой, безотказным обеспечением электрической энергией приемников, взаимосвязями между электрооборудованием и оборудованием других систем, в первую очередь, систем управления и защиты. Результаты анализа параметров взаимосвязей между оборудованием позволяют выявить требования к системам электроснабжения и обосновать рациональные технические решения.

Показано, что обобщенные расчетные схемы соответствуют большему числу систем электроснабжения промышленных производств, а их функционирование адекватно трансформации суммарного потока случайных событий, отображающего действия по изменению ритмичности выпускаемой продукции.

2. Установлена прямая взаимосвязь между функциональными возможностями электроприемников с помощью амплитудно-временных параметров потоков событий и косвенная - через коэффициенты эффективности вида резервирования и взаимосвязи, что позволило производить анализ и регулирование функциональных связей в сложных системах электроснабжения промышленных предприятий, используя простой математический аппарат.

3. Получены универсальные зависимости параметров нарушений электроснабжения от негативных факторов (перенапряжений, провалов напряжения, несимметрии фазных напряжений, резонансных явлений от высших гармонических составляющих и других), а также от их случайных совпадений по времени. Установлено, что при отсутствии резервирования к перерывам в электроснабжении приводят отдельные возмущения, причем возможны развития аварий с возникновением сопутствующих негативных факторов, а при выделении из комплекса факторов отдельных воздействий и компенсации наиболее из них опасных таких явлений не наблюдается.

Доказано, что характеристикой обеспечения электрической энергией приемников технологических машин является допустимое время перерывов в электроснабжении, определяемое структурой системы, безотказностью электрооборудования, его резервированием, а также поточно-циклическим характером производства.

4. С использованием разработанной концепции получена и исследована программа мероприятий обеспечения эффективности функционирования систем электроснабжения, независимо от их сложности и взаимосвязей электрического и технологического оборудования:

- система выбора мероприятий в аспекте одновременного выполнения требований электротехнического, технологического и экономического характера на основе повышения показателей эффективности функционирования систем электроснабжения, отображающих их безотказность, объем выпуска качественной продукции;

- принципы выбора рациональных параметров систем электроснабжения

действующих и проектируемых предприятий посредством обоснованного экономико-математического моделирования, включающего определение структуры системы, регулирование безотказности электрического оборудования, выбор уровней напряжений, применение в зависимости от особенностей протекания технологического процесса вида резервирования и периодичности технических ремонтов, а также детерминированной по уровню воздействия компенсации негативных возмущений.

5. Установлено, что базовые схемы электроснабжения, используемые на крупномасштабных промышленных предприятиях, даже таких как металлургические заводы, не удовлетворяют требованиям ограничения вынужденных остановок электроприемников. Показано, что их сокращение может быть достигнуто, используя оригинальные решения, основанные на разработанной теоретической базе.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается: значительным объемом данных хрономегражных наблюдений; адекватностью математических моделей работы электрооборудования и систем электроснабжения реальным условиям эксплуатации; успешной промышленной апробацией разработанного метода оценки влияния безотказности систем электроснабжения и их оборудования на технологический процесс и обоснования мероприятий по повышению безотказности систем; удовлетворительной сходимостью (различие не превышает 7 %) результатов теоретических исследований и данных, полученных путем моделирования на ЭВМ, с экспериментальными данными.

Реализация и внедрение результатов работы.

Использование теоретических и экспериментальных результатов работы в области систем электроснабжения и принятые решения по повышению безотказности в обеспечении электрической энергией приемников технологических машин позволило на предприятиях Филиала ОАО «ТГК-4» «Липецкой региональной генерации» от реализации методики, позволяющей оценивать сроки службы изоляционных конструкций при учете дополнительного нагрева получать ежегодный экономический эффект в размере 1310,6 тыс. руб./год., а методики ограничения критических возмущений и нагрузок с неоднородными режимами работы электрооборудования - 214 тыс. руб./год.; на предприятиях ОАО «МРСК Центра» - «Липецкэнерго» за счет способа настройки резонансного заземления нейтрали трехфазных электрических сетей переменного тока получать 251,2 тыс. руб./год.; способа динамической компенсации амплитудных искажений напряжения - 747,7 тыс. руб./год.; систем диагностики параметров электрических сетей Муниципального унитарного «Жилищно-коммунального предприятия №6» г. Липецка - 1020 тыс. руб./год.; рекомендаций на ОАО «Юговостокэлектромон-таж-1» по обеспечению повышения эффективности функционирования электрических систем с экономическим эффектом в 200 тыс. руб. год; за счет применения на филиале ОАО «СО ЕЭС» «Региональное диспетчерское управление энергосистемы Липецкой области » методики оценки влияния места расположения источников негативных факторов на режим функционирования энергосистем и электрооборудование экономический эффект составляет 937тыс. руб./год.

Теоретические разработки применены при выполнении научно-исследовательских работ по гранту Министерства образования РФ 2002 года по фундаментальным исследованиям в области технических наук № Т02-01,5-188 «Влияние высших гармонических составляющих на дугу сталеплавильных печей». Они вошли в учебные пособия «Случайные импульсные потоки в решениях вероятностных» и «Случайные импульсные потоки», которым присвоен гриф УМО, используются в учебном процессе в виде лекций, курсовом и дипломном проектировании, лабораторных работах ЛГТУ и ряде других учебных заведений.

Апробация работы. Основные научные результаты диссертационной работы докладывались на ежегодных научно-технических конференциях ЛГТУ, всероссийских научно-технических и методических конференциях: XXXVIII Международной научно-студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс», Новосибирск, 2000г.; всероссийской научно-технической конференции «Энергосбережение и энергоэффективные технологии», 26-28 окт. Липецк. 2004 г.; международной научно-технической конференции «Энергетика и энергоэффективные технологии»,2006 г. - Липецк; международной выставки - Интернет-конференции. «Энергообеспечение и безопасность» - Орел: изд-во ОрелГАУ 2008 г.; 1-й международной научно-практической конференции «Современные проблемы науки» 28 марта - 2008г., Тамбов; Международной научно-практической интернет-конференции «Инновационные технологии механизации, автоматизации и технического обслуживания в АПК» 17- 18 марта 2008 г.— Орел; 3-й международной научно-практической конференции «Наука и устойчивое развитие общества. Наследие В.И. Вернадского» 25-26 сентября 2008г. Тамбов; XXXIX Всероссийской научно-практической с международным участием конференции по электрификации «Повышение эффективности электрического хозяйства потребителей в условиях ресурсных ограничений». Москва, 2009 г.; 4-й Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, образовании и производстве», Орел, 2010 г.; Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы энергетики АПК». «СГАУ» им. Н.И. Вавилова, Саратов, 2010 г.; XVI Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», Национальный исследовательский Томский политехнический университет 12-16 апреля 2010 г.; десятой международной научно-практической конференции «Высокие технологии фундаментальные исследования. Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» СПб.,2010 г.; 1Х-ой международной научно-практической конференции «Энерго- и ресурсосбережение -XXI век», Орел, 15 марта - 30 июня 2011 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 монографий. 111 печатных работ, из них самостоятельно 23. 27 в изданиях из перечня ВАК, получено 14 патентов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы и приложений. Общий объем диссертации 432с.. в том числе 338 с. основного текста, списка использованной литературы из 347наименований. приложений на 50 страницах

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определена научно-техническая проблема и тема исследования, решаемая в работе, обоснована ее актуальность, определена степень разработанности, цель и задачи исследования, сформулирована научная новизна, теоретическая и практическая значимость, описаны методы исследования, отражена апробация результатов работы.

В первой главе рассмотрено современное состояние и перспективы обеспечения безотказности систем электроснабжения. В отдельных системах число аварий в течение года составляет несколько десятков. Вызвано это рядом факторов, к которым относятся: провалы напряжения; грозовые и коммутационные перенапряжения; резонансные явления токов и напряжения; гармонические составляющие тока и напряжения и т.д. В работе проведен анализ как объективных, так и субъективных причин возникновения провалов напряжения. Учитывались реальные структуры и конфигурации систем электроснабжения, а также режимы работы электрооборудования. Наблюдались и групповые провалы напряжения от повторного включения нагрузки, что вызывало накопительный эффект, который более опасен чем отдельные провалы. Для сокращения провалов напряжения предлагается применять современные компенсирующие устройства, осуществлять секционирование шин подстанций и распределительных пунктов, снижать сопротивление заземления, использовать грозозащитные устройства, проводить профилактические мероприятия по чистке изоляции и замене дефектных изоляторов. Даже в этом случае из-за внешних и внутренних возмущающих факторов, с учетом того, что они носят случайный характер, в системах электроснабжения возникают перенапряжения и провалы напряжения. Поэтому их исследование в работе выполнено на вероятностной основе. Анализ аварий позволил выявить путем использования экспериментальных данных опасные перенапряжения. Они возникают от атмосферных воздействий, неполного режима питания, коротких замыканий, повреждения изоляции, среза «тока», феррорезо-нансных явлений, несимметрии коротких замыканий, коммутаций в системе электроснабжения, смещения нейтрали, отключения емкостных токов или индуктивных токов при холостом ходе и т.д. Опасность представляют резонансные явления на высших гармониках, которые вызывают не только перенапряжения, но и его провалы. Спектр высших гармоник не является величиной постоянной, он зависит от многих факторов, в первую очередь, от изменения нагрузки. В результате программа защиты от провалов и перенапряжений, не зависимо от вида их возникновения, должна включать комплекс мероприятий. Выбор средств защит от любых негативных факторов, как показано в работе, должен быть обоснован строгим технико-экономическим анализом с использованием математического моделирования процессов в защищаемых устройствах, а также учетом характеристик элементов системы.

Во второй главе разработано математическое описание функционирования систем электроснабжения и взаимодействия их элементов с оценкой воздействия на них широкого спектра случайных возмущающих факторов. Рассмотренный способ позволяет определить параметры совместного функционирования лю-

бого числа оборудования. Так, вероятности одновременной работы во времени п единиц оборудования системы из п рассчитывается согласно уравнению:

р.(х) + ЯР.(х)]

(1)

Рисунок 1- К определению временного воздействия возмущающих факторов

где Р*(т) - вероятность появления отказов, а Р, ( т) - вероятность работы оборудования длительностью т , X - интенсивность отказов. Одновременной работе п единиц электрооборудования из п предшествуют события, отображающиеся вероятностью Рп п ,, а этим событиям — п-1 одновременная работа п-2 единиц оборудования и т.д. В системах промышленных производств возможно одновременное действие любых ситуаций работы технологических машин и электрооборудования. Общая картина временного взаимодействия между электрооборудованием представлена ломаной линией 3 на рисунке 1.

Проведенные исследования в системах электроснабжения промышленных производств ОАО «НЛМК», ОАО «ОЭМК» и других предприятий позволили из всего многообразия негативных факторов выделить основные. К ним относятся: провалы напряжения; перенапряжения; высшие гармонические составляющие токов и напряжений, резонанс- Рисунок 2-Спектральный состав ные режимы от высших гармоник, несим- напряжения в сети 10 кВ

метрия напряжения по обратной и нулевой последовательности. Они возникают при определенных конфигурациях электрических систем, аварийных режимах, переключениях или срабатывании автоматики, а также могут проникнуть из питающей электрической системы, являться результатом взаимосвязи технологической системы и системы электроснабжения. Спектральный состав и осциллограммы изменения напряжения для производств ОАО «НЛМК» представлены на рисунках2 -7.

В работе система электроснабжения рассматривается как комплекс взаимосвязанных элементов, каждый из которых предназначен для выполнения строго определенных функций. Выражение, определяющее вероятность отказа

электрооборудования от действия с вероятностями Р|,Р;,Ри комплекса негативных факторов, имеет вид:

__п __ш _ __к _ _ _

¡«1 ¡о=1 д.ь-1

Для определения динамики функционирования электрооборудования в

\тм РО 0.072 кВ 0.68 X

0 Р1 10.14 кВ 88.08 %

Р2 0.196 кВ 1.89%

-20 КЗ 1.588 кВ 15.36%

Р4 0.160кВ 1.55 X

Р5 0.733 кВ 7.09 X

-40 Р6 0.177 кВ 1.71 %

Г7 0.653 кВ 6.31 %

Р8 0.212 кВ 2.05 X

-60 РЭ 0.474 кВ 4.58%

Р10 0.184 кВ 1.78%

П1 0.413 кВ 3.99%

0 1 £34 Т" 6 Т 8 Э 1011 " Несин. 2.014 кВ 19.48%

системе использовались функции распределения их наработки на отказ и времени восстановления отказов. Когда отказы не перекрываются по времени, то закон распределения их длительностей для п единиц электрооборудования:

(3)

где р,(0) -плотность вероятности длительностей отказа электрооборудования, вызванного воздействием 1-го возмущающего фактора,к - число негативных воздействий.

Плотность вероятности длительности наработки на отказ работы обору-

Рисунок 3- Осциллограмма напряжений в сети 10 кВ металлургического предприятия при наличии высших гармонических составляющих

Л^лтДАДДАЛАЛААДАДАЛААДЛА

\Л/ШУ\АААААА<У\ЛААМЛЛААЛА

в

23,23 к В

АЛ Л/\/\/\/у\А'\АА;"У\'\ЛА' ХЛ/ХЛЛЛЛЛ/^

Рисунок 4 - Осциллограмма напряжений в сети 110 кВ металлургического предприятия при несимметрии фазных напряжений

дования выразиться зависимостью:

а„(1)=Р,а1(т) + РЛ(т) + ...+ РЛ(т) , (4)

где осп(т)- плотность вероятности п объединившихся в расчетном функционировании системы длительностей работы оборудования за одно включение исходного состояния системы.

Вид закона распределения постоянных величин влияния эквивалентного по длительности воздействия негативного фактора с изменяющейся величиной устанавливается, используя вероятность последовательного появления к постоянных воздействий длительностью Ат в рассматриваемых событиях

р(кДт>Дт) = 1-]Гс1р (1-р)П".

Средняя частота и математическое ожидание определяются как:

(5)

пц

где Х-Дт-пр; ст = ^пр(1-р); частота следования ¡-го негативного воздействия.

Длительности работы электрооборудования за одно включение при наличии негативных возмущающих факторов нельзя рассматривать как простейшие события даже при строго циклическом режиме работы технологических машин. В данном случае плотность вероятности длительности воздействия негативных возмущений:

+ (8)

Дисперсия и среднее квадратическое отклонение нормированной длительности т:

к + 1 1 л/к+Т 1

Формулы

А.2(к + 1)' А, (к + 1) Х7к+Т

(9)

"О2

(9) позволяют рассчитать значение к, определяющее последействие событий в системе электроснабжения под влиянием спектра возмущающих факторов.

Совместное влияние композиции возмущающих факторов на электрооборудование может быть учтено посредством результатов анализа определения амплитудно-временных параметров совпадений событий от возмущающих факторов. На рисунке 8 приведена временная диаграмма, отображающая процесс совпадения четырех возмущающих факторов.

Появление в одно и то же мгновение возмущающих факторов практически невозможно. Обусловлено это тем, что вероятность появления р^) двух или более возмущений за бесконечно короткий интервал времени Аг будет убывать быстрее, чем длина интервала, на котором они появились, то есть вероятность является бесконечно малой величиной более высокого порядка по сравнению с рассматриваемым интервалом времени. Поэтому вероятности этих собы-

Рисунок 5 - Амплитуды симметричных составляющих нулевой (Цо), прямой (и^ и обратной (и2) последовательностей напряжения осциллограммы рисунка 4

<!111|||; __________ -...................:.....................■ .........._

......................._.. 1..............

г...........

1 : ....................1

■> о , , .

Рисунок 6 - Осциллограмма высокочастотного коммутацио иного перенапряжения в электрической сети предприятия

тии, как несовместимых во времени, можно складывать:

Р»,к = Ип.К^п.к = К.к + ■ (Ю)

Математическое ожидание величины воздействия, образованного от к возмущений из п слагаемых негативных факторов, выразится зависимостью

ч„,к =^-(и!,кч1,к • (11)

10 КВ ТН 1 сек. яч'зэЛ Л А Л А Л Л А / \ А АЛ

V У [/V \ппг ^ДДДДД/

10 КВ.ТН I сек. чч.ЗЭ Л А Л / \ Л А

иь 1 у | И у V у \р

10 КВ.ТН 1 сек. яч',2Э \ Д Д Д и<. \1 Л \ \ \ , V V V V V АДДАЛ 1 у\! \ | <\М/Ш

Рисунок 7- Осциллограмма напряжения в сети 10 кВ металлургического завода при провале напряжения в фазе В

Какой бы не была система электроснабжения, п всегда будет меньше оо . Чтобы упростить анализ рассматриваемой проблемы, необходимо определить закон распределения длительностей совпадений негативных факторов. С этой целью для различного числа слагаемых негативных факторов к на рисунке 9 построены зависимости схп к (т) , отображающие плотности вероятностей длительностей рассматриваемых совпадений. Критерием экспоненциального распределения служит условие:

Рисунок 8 — Временная диаграмма, поясняющая процесс совпадения во времени негативных факторов

3-1 Т

<0,25 = — , п

(12)

где п - число негативных факторов, участвующих в образовании совпадения.

Для электрических и технологических систем, содержащих большое число элементов и подвергающихся воздействию широкого спектра возмущающих факторов таких как провалы напряжения, перенапряжения, несимметрия трехфазной системы, высшие гармонические составляющие, резонансные режимы критерий (12) выполняется.

Отдельные негативные факторы вызывают дополнительные возмущения. Так, чрезмерный нагрев изоляции вызывает ее разрушение, что приводит к коротким замыканиям, замыкания могут вызвать перенапряжения, наличие реактивной составляющей мощности приведет к повышенным потерям электрической энергии, наличие высших гармоник тока и напряжения увеличит ток короткого замыкания и т. д. В рассматриваемых случае моментная функция анализируемых величин, вероятность совпадения возмущающих факторов, будет:

Р.\=т

„дЦ^Т.дЦ,,

1 +

в,2 у

(13)

Рисунок 9- Зависимость плотности вероятности длительности совпадения от числа слагаемых негативных факторов: 3 - трех факторов; 4 - четырех факторов; °о - большого числа возмущающих факторов

где т.,1 и цв, - математическое ожидание длительности и средняя частота следования первого негативного фактора;

Тв,2 и 2 — математическое ожидание длительности и средняя частота следования второго негативного фактора, зависящего от первого.

Часто для практических целей необходимо определить количественные соотношения, полученные от отдельных негативных факторов. В данном случае моментная функция Рву (вероятность появления событий к из п) определяется равенством:

Р,.к=1д(хН)> (14)

где 0 < к < п ; ^ (х + ^ ) — события от ¡-го возмущающего фактора.

Частота перекрытых к из п возмущающих факторов:

_ ^

(15)

Плотность вероятностей длительности Тв,к искомых совпадений:

^2 _ ]

а, = -О]"'. (16)

Использование плотности вероятностей длительности т.,к позволяет оценивать эффективность применяемых устройств, осуществляющих компенсацию возмущений и отказа.

В процессе эксплуатации очень часто осуществляется компенсация отдельного возмущения. Плотность вероятности длительности при этом выражает-

ся зависимостью:

1 с!2

(т) = =—(-с) > (17)

где ц, „_, = Р1П_, (т,.„-1) - частота следования п-1 возмущающих факторов.

При одном скомпенсированном негативном возмущении вероятность перекрытия к возмущений будет:

Р.,=Рл"'£(-1Гр,^Р""Ы(1-рГ при 0<к<п-1, (18)

¡=1

где рп ;+1 и р - вероятности совпадений событий от п негативных факторов и вероятность появления скомпенсированного фактора.

Математическое ожидание длительности совпадений возмущений при скомпенсированном одном негативном факторе:

т.,==-=-г-^-=-,, (19)

Т"-'-^-ф„,к+,Р(Тп-1.к+.Рп.1,к+1 + УР„-|.к+1 + Тл-1к+1Рл-|,к )

где к=0, 1, 2, 3, ..., п-2; т и 8 - математические ожидания длительностей действия и противоположного события скомпенсированного возмущения.

Предложенный подход состоит в последовательном вычитании скомпенсированных факторов из совпадений от всех возмущений. Предлагается и другой способ. Он состоит в том, что сначала выполняется определение параметров совместных совпадений скомпенсированных факторов, затем эти события вычитаются из совпадений от всех возмущений. В результате полученные события отражают только не скомпенсированные негативные факторы.

В третьей главе выполнена оценка влияния возмущающих факторов на безотказность систем электроснабжения предприятия. Проанализированы структуры и состав оборудования систем различных предприятий, в том числе и металлургических производств, выявлены однотипности в структурах, схожести в составе оборудования, обусловленного структурой и мощностными характеристиками технологических машин. Определено возможное появление резонансных режимов при наличии высших гармонических составляющих высокочастотных перенапряжений, вызывающих другие аварийные ситуации. На основании обработки результатов регистрации и осциллографирования аварий в системе электроснабжения ОАО «НЛМК» за пять лет определены амплитудно-временные характеристики провалов напряжения для 110, 10 и 0,4 кВ в узловых точках сети, в местах подключении источников энергии и в распределительных сетях. Нарушения разделены на 4 группы в зависимости от вида провалов и параметрических признаков (рисунок 10).

Для всех уровней напряжения построены точечные диаграммы, отражающие глубину (5и, %) и длительность (А1, мс) провалов. Провалы разделены по уровню на три зоны. Выделенные зоны полностью соответствуют 1, 2 и 3 группам провалов. Для всех групп построены гистограммы амплитудных и временных значений (рисунок! 1). Кроме численных параметров также устанавли-

и,

Л

и0

«■ ШМДМ

"^тштШ

"\ЛЛЛЛ/

б)

ДТАЛЛА

иь

ис

и„

0385 кЕ

ШАЛ

шлл

Ж/ушМ

В)

вались законы распределения для каж- а) дой из групп провалов. Согласно проведённым расчётам, 45% аварийных процессов в электрических сетях 110 кВ предприятий приходится на однофазные короткие замыкания, 28% - на двухфазные КЗ и двухфазные КЗ на землю, а 15 % — на трехфазные. Продолжительности провалов напряжения при близких однофазных коротких замыканиях определяются временем действия 1-й ступени земляной зашиты линий 110 кВ. Они составляют 0,1- 0,35 с. При многофазных КЗ - трехфазных, двухфазных, двухфазных на землю — глубина провалов напряжения оказывается существенно больше, чем при однофазных КЗ, за исключением случаев особо удаленных мест повреждения. Когда происходят многофазные КЗ, остаточное напряжение прямой последовательности, как правило, оказывается ниже 0,6 и„ом. Длительность таких провалов напряжения варьируется в пределах от 0,2 до 0,5 с. Главной причиной возникновения и развития аварий, сопровождающихся провалами напряжения в распределительных сетях, служат пробои и перекрытия внешней изоляции воздушных линий. Провалы напряжения в системах электроснабжения происходят и из-за аварии в кабельных сетях, в которых доминирующими являются однофазные короткие замыкания.

Получена формула (20), определяющая зависимость числа перекрытий изоляции линий электропередачи в соответствии с вероятностью возникновения отказов. Зависимости ппф. = Г(пу:!.,уп.) свидетельствуют, что не при всех грозовых

перенапряжениях происходит отключение линий. Наиболее вероятны перенапряжения, вызывающие перекрытие линейной изоляции, они наблюдаются в сетях напряжением 35 кВ и выше. Выявлены и коммутационные перенапряжения, возникающие в схемах колебательных контуров с малым активным сопротивлением, где изменение функционирования режима оборудования сопровождается переходными процессами периодического характера

иа

и„

ис

ш

АЛ/ \ЛЛ

и„

-АллА

Рисунок 10— Осциллограмма фаз напряжений для характеристики провалов напряжений: а— первой группы; б- второй группы; в— третьей группы

=0,01-п„ -(р. -Рпр +(1-ро)-(Аоп -Ро„ +Атр .Рч,))5

1,(

и я

'2-ю-7Л

у„

Сг ■ БЬСа • е.) + Сд • (8Ь(а)-8Ь(а(1 -(..))) (Сз + С„)-8Ь(а)

-6

(20)

/

где пуд - удельное количество попаданий молнии на каждые 100 км линии для районов с количеством грозовых часов в году - 100; ра - вероятность несрабатывания тросовой защиты линии; р1ф - вероятность возникновения поверхностного разряда между проводником и опорой при попадании молнии в провод; Лоп

- относительное число попаданий в опору; роп - вероятность пробоя изоляции при попадании разряда в опору;

25,56 32,02 38,47 44,93 51,39 57,85 64,3

Рисунок 11 - Гистограмма распределения амплитуд провалов напряжения зоны 2 в сети 0.4 кВ ПХПП

Л - относительное число попаданий в грозозащитный трос; р^ — вероятность перекрытия между проводом и тросом при попадании в середину пролета; ираб — рабочее напряжение, кВ; С3 - паразитная емкость относительно земли; С„ - паразитная емкость относительно провода; £, - относительная длина

пути утечки гирлянды изоляторов; уп -усредненная проводимость слоя загрязнения. Установлено, что даже при плановых коммутациях в распределительных сетях напряжение на зажимах выключателя в несколько раз может превышать номинальное его значение. С расхождением контактов происходит повторное зажигание дуги, демпфируя коммутационные перенапряжения в системах электроснабжения.

Сложность оценки влияния негативных явлений от гармонических составляющих на безотказность электрооборудования состоит в том, что в системе электроснабжения имеются смешанные соединения реактивных сопротивлений. На участках разветвленных цепей из-за высших гармонических составляющих возможно одновременное появление двух резонансов напряжений и резонанса тока. Увеличение параллельно-последовательных ветвей с активно-реактивными сопротивлениями еще больше усугубляет сложность решения задачи. Наибольшие напряжения и значения токов наблюдаются на частотах, близких к возникновению резонансных явлений. Отношение тока резонанса к максимальному значению тока на индуктивности (кы), а соответственно и на емкости (кС]) , равно:

ки =

(г^та^С^+Кь)2)

(^2+КЬ)2) к 1 / и|сС (гсЧ1^„С)2) ' ^"(гсЧ(1/та,сС)2)'

г, +г. /та,„ЬС

и .=-

(22)

гдеташ- частота на индуктивности; та1С- частота на емкости; га10 - резонансная частота.

Построено семейство графиков (рисунок 12, а и б), характеризующих взаимосвязь индуктивности и емкости при резонансных явлениях напряжения от высших гармонических составляющих. Зависимости отображают взаимосвязь индуктивности и емкости для третьей и одиннадцатой гармоник.

Также проводился анализ распределения напряжения по длине гирлянд изоляторов с учетом относительной поверхностной проводимости слоя их загрязнения уп.. Гирлянды изоляторов заменялись схемой замещения в виде частичных емкостей сЮ0, паразитных емкостей относительно земли с1С3 и высоковольтного провода с!Сп:

а2и,= и^-шчс. + с.) |

где их - напряжение на гирлянде изоляторов; I - длина гирлянды изоляторов; х -координата вдоль пути утечки; g0 - продольная проводимость гирлянды изоляторов; 11вр - влагоразрядное напряжение.

Решение уравнения (21) будет иметь вид

С. ■ БЦа ■ £.) + Сп ■ (8Ь(а) - 8Ь(а(1 -£,))) (С3 + Сп) • 8Ь(а)

Решение уравнения (21), составленного на основании схемы замещения в

частных производных при опреде-10м ленных начальных и граничных

условиях позволяет установить распределение напряжения на гирлянде в функции от удельной проводимости поверхностного слоя загрязнения изоляторов и значений емкостей.

В соответствии с (22) построен график распределения вла-горазрадного напряжения по строительной длине гирлянды (рисунок 13). Получены результаты для различной степени загрязненности поверхностей изоляционных конструкций. Установлено, 1с что при воздействии на изоляцию высокочастотных коммутационных перенапряжений распределе-Рисунок 12 - Зависимость взаимосвязи ние напряжения по длине гирлян-индуктивности и емкости для третьей и ды И30ЛЯТ0Р0В останется таким же, одиннадцатой гармоник как и ПРИ номинальной частоте

гс =4 Ом

напряжения. Отражение физической картины изменения влагоразрядного напряжения, его распределения по длине гирлянды изоляторов с учетом емкостных токов, токов утечки, а также условия возникновения скользящего разряда определяются из равенства:

и, =

210"

У„

(23)

Ц„

0,8

0,6

0,4

0,2

0,2

0,

0,8

Сз ■ 8Ь(а ■ I.)+ С„ ■ (8Ь(а)-5Ь(а(1 -£.))) (С, . С,:)-81на)

Зависимость (23) состоит из двух частей. Первая часть показывает изменение действующего значения влагоразрядного напряжения при увлажнении загрязненной поверхности изоляторов, а вторая - распределение напряжения по длине гирлянды с учетом емкостных токов и токов утечки. Графическая

интерпретация зависимостей представлена на рисунок 14. При использовании крайних условий (23) она отображается в виде двух плоскостей. Между плоскостями заключена пространственная область, в которой находятся плоскости распределения напряжения вдоль гирлянды изоляторов. Их расположение определяется соотношением емкостей Сз, С„ и удельных поверхностных проводимостей уп. Чтобы не произошло скользящего разряда, длительность воздействия повышенного напряжения должна соответствовать времени частичного высыхания слоя загрязнения, которое равно 30—120 с.

Влагоразрядная напряженность электрического поля по строительной высоте на различных изоляторах отличается более чем в шесть раз. В " ° зависимости от длин линий и демпфирующих сопротивлений частота напряжения при коммутационных перенапряжениях достигает 3-15 кГц. Даже при меньшей частоте приложенного к изоляционным конструкциям напряжения, емкостные токи значительно увеличиваются по Рисунок 14-Распределение напряжения сравнению с токами утечки, вдоль гирлянд изоляторов с учетом проводи- Это приводит к уменьшеНию мости поверхностного слоя загрязнения

Рисунок 13 - Распределение напряжения по длине гирлянды изоляторов

у-1! мСм

0,3-

/

0,3-

0,2-

ОД

демпфирующего действия слоя загрязнения и появления неравномерности в распределении напряженности электрического поля по строительной высоте изолятора. Из-за насыщенного слоя загрязнения происходит снижение влагоразрядно-го напряжения, что значительно увеличивает вероятность перекрытия изоляционных конструкций при воздействии таких возмущающих факторов. Зависимости, характеризующие данные явления приведены на рисунке 15.

В четвертой главе проведен анализ компенсации негативных факторов. Установлено, что резонанс тока в процентном отношении увеличивает приращение тока от высших гармоник на (0,5-1,0)%:

51 = ^^ = (1,0050-1,010)-^, (24)

1

где Кнс - коэффициент несинусоидальности; уэ - эквивалентное значение порядковых номеров гармоник.

Выявлено, что при высших гармониках и резонансных явлениях напряжения износ контактов выше на 25-50% по отношению к износу контактов электрических аппаратов, работающих в синусоидальных цепях, допустимая плотность тока становится меньше на (9-17)%. Предложено не использовать кабели больших сечений. Их следует заменять ши-нопроводами или гибкими токопроводами. При этом выключатели системы электроснабжения должны выводится в ревизию в 1,25-1,50 раз чаще, чем для систем без резонансных явлений и гармонических составляющих. В качестве средства комплексной защиты от провалов напряжения предлагается использовать помимо быстродействующих АПВ и АВР динамический ограничитель тока (ДОТ), представляющий последовательный трансформатор, во вторичную цепь которого включен управляемый источник эдс (рисунки 16-17). В

у

/

/ /

/

/ /

1/ /

/

/ / /

/у

/

0.5 0,75

0,6 о.в 1 е.

и,

0,5

0,3

од

л

/ 7

/

/

/

/ /

/ /

/

/

й

б)

л

/

1

-- /

/ /

/ /

/

г- .......

0,8 1 е.

0,4 0,6 Г)

0,8

о 0,2 0,4 0,6 В)

Рисунок 15 - Распределение напряжения вдоль загрязненных гирлянд изоляторов при уп =20 мСм для частот приложенного напряжения: а- 50 Гц; б- 500 Гц; в- 5 кГц; г- 5 0 кГц

Ли

ли

рЬ, + К-2

•Ч

Я,

и

р2М2 +рЬ,

р'МЧрЦ+Б.,

рМ

Рисунок 16 - Схема замещения ДОТ

Рисунок 17 - Структурная схема модели последовательного трансформатора с

управляемым источником эдс

нормальном режиме работы сопротивление ограничителя близко к бесконечности, реализуется принцип раздельной работы шин, а в случае возникновения провала напряжения на одной из шин осуществляется ее подпитка от другого независимого источника с ограничением потока мощности до безопасного уровня. В работе проведен синтез передаточных функций \У,(р), \У2(р)и \У3(р), обеспечивающих устойчивость работы предлагаемого устройства. Для получения номинального напряжения на секциях шин в источниках введено встречное регулирование. Смоделированы провалы напряжения и работа ДОТ для одновременного включения группы электродвигателей и броске тока при включении АВР на короткое замыкание. Бросок тока вызывал провал напряжения длительностью около 0,6 с, а минимальное действующее значение напряжения на этой секции шин составляло 0,682-и„ в течение времени г = 0,3 с. Применив ограничение по допустимой величине провала напряжения на резервной шине и задав в качестве порогового значения необходимую его величину, ДОТ поддерживает напряжение на резервной шине в соответствии с заданной уставкой не ниже 0,93 и„. Если проанализировать возникающий в этот момент провал на другой шине (рисунок 18), то можно увидеть, что до I = 0,25 с провал имеет пологий фронт. Остаточное напряжение составит 0,8 ин, тогда как при питании от одной линии оно равно 0,65 11„ в этот же момент времени. Максимальная величина отклонения напряжения сократилась почти на 19 %. Результаты анализа свидетельствуют, что ток через устройство не превышает рабочего тока секции шин, а напряжение на последовательном трансформаторе не превышает 30 % от номинального напряжения системы.

Другой вид провала напряжения возникает при замыканиях на отходящих фидерах секции шин с последующим его отключением, который моделировался путем включения нагрузки с динамически изменяющимся сопротивлением (рисунок 19). На рисунке 20 приведены результаты моделирования функционирования ДОТ при таком аварийном процессе. Для достижения рациональной эффективности динамического ограничения тока необходимо помимо амплитудного значения провала напряжения учитывать его длительность, поскольку устойчивость оборудования к возмущениям такого вида зависит одновременно от

Рисунок 20 - Напряжение на Рисунок 21 - Структурная схема

сетевых зажимах ДОТ модели блока АВР

обоих этих факторов. Для рационального функционирования блока АВР с ДОТ разработан принцип управления, использующий в качестве сигнала, задающего параметры обратной связи, разницу действующего напряжения в сети с параметрами заданных кривых, аналогичных кривым СВЕМА. Структурная схема модели блока управления представлена на рисунке 21. Уравнение для обратной связи для этой модели:

У = —г—;-^--(25)

где f(U,t) - функция, реализуемая блоком контроля провала напряжения на резервной секции шин.

Эффективность использования ДОТ в АВР оценивается коэффициентом

где ^ и Э,,- мощность короткого замыкания на первой и второй секциях шин, кВА.

При различных сопротивлениях системы на разных секциях шин

О 0,2 0,4 0,6 0,8 1 |,с

Рисунок 19 - Отображение провала напряжения с помощью динамически изменяющегося сопротивления нагрузки

Рисунок 18 - Провал напряжения на аварийной секции шин при срабатывании ДОТ

,кривая допустимых провалов напряжения будет иметь вид:

дот(т) —

1-а/1-4К(С(т-Т0)-(С(Т-Т0))2)

где £(т) - кривая допустимых провалов, В; т0 -время, при котором С,{т): Для случая нагрузки с постоянным сопротивлением Г КС(т-т0)

ЧдОТ^ -

(27) - О

(28)

КС(т-т0)-С(х-т0) + 1 Проанализированы осциллограммы аварийных событий, зафиксированные в РП-1, РП-2 и ТЭЦ ОАО «НЛМК». На рисунках 22-23 приведены результаты анализа напряжения на шинах 110 кВ и 10 кВ РП-1. За время наблюдалось 109 кратковременных нарушений. Если оценить данную статистику согласно кривой допустимых провалов СВЕМА, то 34 нарушения попадают в зону небезопасных провалов напряжения. РП-1 11 ОкВ НЛМК питается от подстанций энергосистемы «Новая» и подстанции «Северная». Ток КЗ на шинах подстанций «Новая» равен 1кз,нов = 16,9 кА, «Северная» — 1кз,Сев = 10>2 кА. Если провал произошел на шине, которая питается от подстанции «Новая», то коэффициент эффективности использования ДОТ:

Ки

I.

16,9

^КЗ Новя ^КЗ Северная

= 0,64.

(29)

16,9 + 10,2

Он соответствует Дии дот - величине допустимого провала с использованием ДОТ на шине, питающейся от подстанции «Новая». В нашем случае Ди1Нд0Т = 33%; Ди2н,дот — 49%; Дизндот = 85%. Когда провал произошел на шине, питающейся от подстанции «Северная», то коэффициент эффективности КСев = 0,36, а зона безопасных провалов на этой шине расширится до Ди1СЛот = 51%; Ди2с,дот = 77%.

На графике рисунка 23 прослеживаются четыре зоны. Первые три является зонами допустимых провалов для шин, питающихся от подстанции «Северная», и, %

г» ^

/

•• •

■

Рисунок 22 - Анализ провалов напряжения на шинах РП-1 ОАО «НЛМК»

Рисунок 23 - Анализ эффективности применения ДОТ по кривым СВЕМА

Для этих шин опасными остаются 6 зафиксированных провалов, попадающими в зону IV. Применение ДОТ позволяет более чем в два раза сократить число кратковременных нарушений электроснабжения. При помощи полученной эмпирической зависимости:

' Т2л

SU =

1

IX.+

IX tgY

1 1 (21\ХЛ

J 2S?ra [ tgq> J

(30)

где I,— относительная величина токовой нагрузки участка сети; S,K3- относительная величина мощности короткого замыкания - построен трехмерный график (рисунок 24), где глубина öU„ определена функцией двух переменных f(I,X). Исследования позволили оценить предельный tg<p, при котором не наблюдается избыточной компенсации реактивной мощности с глубиной устраняемого

бипя, o.e. 1,0 ,0,8 .0,6 .0,4 .0,2

1,о.е

X, o.e.

X, o.e.

Рисунок 24 - Глубина устраняемого изменения напряжения при компенсации реактивной мощности: а) г§ср=0,365;б) 1§<р=0,565

Крм, о е. 10,0

а> 6) Рисунок 25 - Оценочные значения изменения коэффициентов реактивной мощности: а- расчетная часть характеристики; б- общий вид характеристики

провала 100%. Расчет изменения коэффициента мощности Кр^ осуществляется по формуле:

Крм =(созфдст)"'Л/1-соз2фдсг -(собф^)"'-СОЭ2ф^ , (31)

где созфдст - действительный коэффициент мощности; совср^— требуемый коэффициент мощности.

Для упрощения поиска КРМ разработана трехмерная графическая структура. Она представляет функцию двух переменных ^со8фдег, созф1р) (рис. 25), что отображает функциональные возможности параметрической защиты, подтверждая состоятельность разработанной теории. Целесообразность повышения соэф установки с помощью КУ определяется по соотношению:

др=р2-р1+кРМЭ(д1-о2)>о,

где ДР - эквивалент суммарной экономии активной мощности, кВт; Рь <3Ь Р2, <32 - соответственно активная и реактивная мощности установки до и после компенсационных мероприятий, кВт, кВАр. Годовое снижение потребления активной энергии рассчитывается по выражению (32).

ш = К

год ",1годЛт

(32)

(со^флег) 1

Другим способом ограничения провалов напряжения и квазистационарных перенапряжений непосредственно у ответственных приемников является использование предлагаемых устройств динамического ограничения искажений напряжения. При использовании такого класса устройств в системах электроснабжения необходимо проводить учет особенностей технологии производства и взаимосвязей оборудования, режимов работы оборудования и систем электроснабжения, топологии электрических сетей. Для оценки компенсационных возможностей таких устройств были разработаны имитационные модели в приложении Ма^аЬ 8тгРо\уег8у81етз, позволяющие учесть технические характеристики анализируемых систем и определить диапазоны защиты от искажений питающего напряжения. Проведенные исследования показали, что потенциальная зона защиты устройства позволяет покрыть до 92 % случаев аварийных искажений кривой напряжения с ограничением напряжения до уровня (0,97-1,03)ин, что позволяет строить диаграммы зон защиты и проводить оценку точности прогнозов аварийных ситуаций. При компенсации провала и выброса напряжения меняется только алгоритм работы системы управления. Для обеспечения оптимальной защиты указанные устройства должны применяться в комплексе со статическими устройствами, обеспечивающими защиту от высокочастотных перенапряжений высокой кратности в схемах электроснабжения с выклю-

Рис. 26. Предлагаемая схема защиты от перенапряжений: 1 - источник переменного напряжения; 2 - вакуумный выключатель; 3 - питающий кабель; 4 - приемник; 5 - защитные КС-цепочки

чателями, имеющими большой ток среза, в качестве которых могут быть использованы разработанные активно емкостные ограничители, лишенные недостатков известных схем (рисунок 26)

В инженерных расчетах среднее число коротких замыканий к* за рассматриваемое время I* определяется по упрощенной формуле

к'=— Pk=tVk,

(33)

где рк — вероятность, соответствующая появлению среднего числа коротких замыканий к' по истечении времени t"; \ - среднее значение работы выключателя между короткими смежными замыканиями; рк- частота следования срабатывания выключателя.

В пятой главе проведен технико-экономический анализ эффективности применяемых мероприятий по компенсации негативных возмущений на систему. В общем случае, когда в системе действует m возмущающих факторов, каждый из которых распространяется на п цепей, характеризуемых Кг, коэффициент готовности Кг сх, как показатель безотказности электрических сетей предприятий:

кгс; = 1-(1-к;)" (37)

- является величиной устойчивой. При использовании электроприемников особой группы или первой категории основньми показателями служит вероятность перерыва питания k(t) и вероятность бесперебойного электроснабжения r(t). Значения данных показателей и их дисперсий определяются как

Jk»(D

f м 1-е m f ■ N 1-е

Ч / Ч /

m

ч m-1

-2*

ie

(38)

(39)

К числу показателей определения ущербов от перерыва электроснабжения предлагается использовать: продолжительность бесперебойного питания приемников Тн; время восстановления перерыва Тв и частоту нарушений электроснабжения Л. Коэффициенты ковариаций распределений соответствующих показателей , , определяются как:

; ит.„ =

1

Т

Ч у

(40)

Согласно статистическим исследованиям, выполненным на базе сбора, вероятностного анализа натуральных показателей воздействия возмущающих факторов в системах электроснабжения металлургических производств, максимальные коэффициенты ковариации составляют о, =0,588 и и =0 472 .

Л шах ' Т. шах '

При этом

ДТю=Д =^>/0.346т2 + 0,223(ш-1)2, %; Дт (41)

" а/П "" VII

Проведенный анализ показывает, что параметры Тн , Лсх и Т, чувствительны к дисперсии показателей, когда коэффициенты ковариации распределений сравнительно невелики. Поэтому применяющиеся в настоящее время методы расчета, основанные на подходе к натуральным показателям надежности как к детерминированным, а не вероятностным величинам, приводят к погрешностям, значительно превышающим допустимые значения в инженерной практике. Из всех показателей только коэффициент готовности нечувствителен к дисперсии исходных данных.

Решения поставленной задачи можно достичь двумя путями. Первый путь состоит в последовательном исключении из анализа отдельных возмущающих факторов, причем начиная с более опасных. Второй в исключении совместного влияния возмущающих факторов на систему электроснабжения. Преимущество первого состоит в том, что можно сравнить влияния между собой отдельных факторов, оценивая внедрение мероприятий по их устранению.

Для обеспечения требуемого уровня безотказности в системах целесообразным является резервирование. В качестве математической модели функционирования элементов системы со структурным резервированием предлагается использовать последовательность появления случайных событий ХДг), где (г = 1, 2, 3, ..., п). Зная законы распределения Ср(0) времени ввода резерва 0Р с учетом средней частоты отказов Цг потока Хг(г) и плотности распределения вероятности перехода в исправное состояние элементов £р(6), вероятность пауз определится как:

Р„ = е;рг }сг(б)сю+ёя ]с(9)ае. (42)

°

Первое слагаемое выражения (5.40) представляет вероятность пауз, длительность которых меньше времени включения резервной цепочки или элемента, а второе - вероятность пауз, более длительных (6") по сравнению с введением резервирования.

При применении структурного резервирования и в случае, когда паузы подчиняются экспоненциальному закону распределения, вероятность отказов и математического ожидания пауз такой системы определяются как

_ 9р _ _

Р,р = РА |С(е)сЮ; егр = ег |с(в>ае. (43)

о о

Используя (43), можно определить также зависимости, характеризующие поток случайных событий системы без резерва. При этом частота отказов такой системы и системы с введением резервирования равны между собой.

Примем, что

вр

2эф., = |С(е)<1е. (44)

о

Составляющая часть выражения (44) является общей для параметров, описанных в (42-43). Назовем ее коэффициентом эффективности структурного резервирования, применение которого позволяет определить степень влияния отказов оборудования из-за воздействия композиции или единичных факторов на функционирование всей системы электроснабжения и оценить необходимость резерва, таким образом, коэффициент эффективности резерва можно еще и обозвать коэффициентом взаимосвязи оборудования.

Информационно-временное резервирование, в отличие от структурного, позволяет не сократить длительности отказов, а устранить их. Поэтому частота отказов, вызванных негативными воздействиями, значительно уменьшается. Аналогично (44) определяется коэффициент эффективности информационно-временного резервирования Нэф ив .На рисунке 27 представлена графическая зависимость изменения коэффициентов Н^ (кривая 1) и Зэфив (кривая 2) для случаев, когда отказы подчиняются экспоненциальному закону распределения. Более сложными являются зависимости для других законов распределения длительностей отказов оборудования (рисунок 28). Это вызвано наличием в функции логарифмически-нормального распределения среднеквадратического отклонения, а в случае усечено-нормального распределения необходимо учитывать еще и нормирующий множитель.

Предлагаемый подход позволяет все вероятностные зависимости для системы электроснабжения при наличии негативных факторов выразить через уравнения, такие же выражения получены и для систем с компенсацией нарушений, вызванных негативными факторами.

Повышение безотказности обеспечения приемников электрической энергией связано с дополнительными расходами и капитальными затратами, повышением квалификации обслуживающего персонала и т.д. Внедрение мероприятий по уменьшению негативного действия возмущающих факторов целесообразно при получении положительных экономических эффектов, в результате увеличивается объем выпускаемой продукции, а как следствие, увеличивается безотказная работа технологических машин и оборудования. Тогда относительное увеличение нагрузки на оборудование при использовании описанных выше методов и средств компенсации негативных возмущений составит:

Рисунок 27- Изменение параметров надежности системы при резервировании

д=

г)

^.а-р)'] ' (45)

где Р - вероятность безотказной работы резервного оборудования; £м - коэффициент, показывающий эффективное время работы оборудования за месяц; Еэф

- коэффициент эффективности применения резервирования или других мероприятий.

На рисунке 29 с учетом (45) представлена графическая зависимость изменения относительной нагрузки оборудования с учетом информационно-временного резервирования. Оперируя значениями вероятности безотказной работы оборудования и коэффициента эффективности резервирования, возможно определить увеличение нагрузки на оборудование, участвующее в том или ином технологическом процессе, с учетом представленной графической зависимости, что занимает намного меньше времени, нежели проводить расчет согласно аналитическим зависимостям

Изменение эффективности предлагаемых мер обеспечения безотказности предприятия за счет компенсации детерминированных по уровню воздействия негативных возмущений определится как

ДП = 0,01тl(Д-l)-(3"-3')CrA,, (46)

где 1] - показатель удельного веса условно-постоянных затрат на осуществление мероприятий, повышающих эффективность системы электроснабжения; 3' и 3" - затраты, связанные с использованием до и после использования мер, повышающих безотказность системы электроснабжения; СА - суммарные затраты, понесённые предприятием на производство и реализацию продукции.

о 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 6р_ _А

а'Ч

Рисунок 28- Изменение коэффициентов эффективности видов резервирования при логарифмически-нормальном законе распределения: 1-при структурном резервировании; 2- при информационно-временном резервировании

Рис. 29. Изменение нагрузки при внедрении мероприятий

Зависимость рентабельности при использовании мероприятий, повышающих эффективность системы электроснабжения, приведена на рисунке 30. Как показали проведенные исследования, вероятность безотказной работы систем электроснабжения для промышленных предприятий всегда превышает 0,5. Тогда приведенная на рисунке 30 кривая не пересекает ось, по которой отложены вероят-Рис. 30. Изменение рентабельности ности Р. В случае, когда

предлагаемых мероприятий по повышению затраты на внедрение ме-э<Ь(Ьективности (Ьункпиониоования системы роприятий более безотказной системы электроснабжения и ее обслуживание больше, чем затраты на обслуживание менее надежной системы, что всегда подтверждается практикой, то соотношение (3"-3')С~'А всегда будет больше нуля. А рентабельность, в этом случае, может быть как положительной, так и отрицательной. Если рентабельность положительна, то предпочтение должна иметь система электроснабжения с более высоким уровнем безотказности. В случае использовании систем электроснабжения без компенсации негативных факторов изменение рентабельности за счет недовыпуска продукции составит до 30% по отношению аналогичной величине, полученной за счет более безотказных систем электроснабжения. Как показали проведенные исследования, эффективность функционирования систем электроснабжения производств любых отраслей, безотказность и взаимосвязь их электрооборудования, а также уровень организации труда должны определяться количеством выпускаемого продукта.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований были решены актуальные задачи ограничения негативных факторов в системах электроснабжения промышленных предприятий. На основании созданной теории разработаны, исследованы и внедрены новые средства компенсации негативных факторов, детерминированных по уровню воздействия. Материалы диссертации позволяют сформулировать следующие основные выводы и рекомендации:

Разработано математическое описание взаимодействия элементов иерар-хичной структуры системы электроснабжения, учитывающее зависимость их параметров от режимов работы технологических машин, безотказности питающей энергосистемы, наличия негативных возмущений при детерминированной и стохастической природе отдельных явлений, формирующих рассматриваемые процессы.

1. На основании проведенных теоретических и экспериментальных иссле-

дований ансамбля отдельных и комплекса взаимосвязанных возмущающих факторов, учитывающих вероятностную природу их появления, создана методика анализа безотказности систем электроснабжения. Предложенное ранжирование возмущающих факторов и использование теории случайных процессов позволяет определить амплитудно-временные параметры совместных негативных воздействий. Разработанная методика позволяет сократить объем вычислений, что особенно важно для анализа сложных систем с иерархичной структурой при наличии большого количества источников возмущений, имеющих вероятностную природу.

2. Выявлены особенности и закономерности структур и состав оборудования систем электроснабжения производств ОАО «НЛМК». Установлено, что в системах широко распространены элементы с нелинейными характеристиками, в результате их реактивная нагрузка может составлять более 130% по отношению к активной. Наличие гармонических составляющих может приводить к возникновению резонансных явлений и значительным превышениям напряжения на зажимах реактивных элементов. Перегрузка по току в ветвях с индуктивностью наблюдается при частоте гармоник меньше резонансной, а в ветвях с емкостью -больше резонансной. Наличие высших гармоник увеличивает сопротивление в (2,3-3,6)%, изменяя пропускную способность по току выключателей, разъединителей, короткозамыкателей до (6-8)%, силовых трансформаторов, реакторов -(11-13)%, кабелей - (13-15)%. Даже при плановых коммутациях напряжение на зажимах выключателей может превысить номинальное в 5,3-8,7 раз, что приводит к повторному зажиганию дуги. Показано, что сходство структур и отдельных параметров систем определяются уровнем их безотказности, а также технологическим процессом производств.

3. На основании выполненной обработки многочисленных результатов регистрации и осциллографирования аварийных событий в системах электроснабжения предприятий определены амплитудно-временные характеристики провалов напряжения, особенности факторов, вызывающие их появление. Установлена стохастическая их природа, обусловленная модернизацией электроустановок, капитальными ремонтами электрооборудования, грозовой активностью, увеличением температуры окружающей среды. Определяющим являются короткие замыкания. В электрических сетях 110 кВ на однофазные короткие замыкания приходится (48-52)%, двухфазные - (28-34)%, трехфазные - (17-19)%. По мере удаления места повреждения от шин подстанции напряжение прямой последовательности увеличивается, а обратной уменьшается, длительность процесса составляет (0,10-0,37) с. При многофазных коротких замыканиях остаточное напряжение прямой последовательности оказывается ниже 0,6 Ц„, длительность лежит в пределах (0,10-0,45) с. В случае 100% глубины провала напряжения, длительность равна (1,0-1,3) с. Показано, что в зависимости от структур электрических систем, безотказности их электрооборудования распределение амплитуд напряжения может подчиняться нормальному, логарифмическому или экспоненциальному закону.

4. Установлено, что в распределительных воздушных сетях предприятий при загрязнении атмосферы токи утечки превышают емкостные токи, для увлажненных загрязненных поверхностей изоляторов токи утечки увеличиваются в (3-7) раз, влагоразрядная напряженность электрического поля по строительной высоте электроизоляционных конструкций отличается более чем в 6 раз. Высо-

кочастотные коммутационные перенапряжения и высшие гармонические составляющие приводят к значительной неравномерности распределения напряжения по длине гирлянды, увеличивая вероятность перекрытия крайних изоляторов в гирлянде, уменьшая их наработку на отказ до (28-37)%. Повышением безотказности изоляционных конструкций является минимизация перенапряжений с предварительным выявлением мест наиболее вероятного их возникновения и определения рациональных способов и средств их демпфирования.

5. В кабельных распределительных сетях при увеличении жил плотность тока уменьшается, а диэлектрические потери увеличиваются, увеличение пропорционально квадрату напряжения. Гармонические составляющие вызывают нелинейное увеличение диэлектрических потерь. Для напряжения (10-110) кВ они равны (1,5-4,2) Ю-6 Вт/м. Приращение тока от гармоник пропорционально коэффициенту несинусоидальности напряжения. В среднем для предприятий оно составляет (3-5)%, что уменьшает допустимую плотность тока (9-17)%. Постоянно действующие возмущающие факторы увеличивают сопротивление в среднем от 2,6 до 7,3%. Диэлектрические потери с увеличением напряжения от негативных факторов увеличиваются более чем в квадрате. В высоковольтных кабелях они составляют от 1,7'10~6 до 4,9Т0"6 Вт/м. Применяющиеся в настоящее время методы расчета, основанные на анализе детерминированных показателей, приводят к погрешностям, значительно превышающим допустимые значения, используемые в инженерной практике, что исключено при рекомендуемом вероятностном подходе. С увеличением числа возмущающих факторов погрешность расчетов уменьшается, происходит это из-за увеличения достоверности влияния возмущений на функционирование системы.

6. Результаты выполненных исследований свидетельствуют, что провал напряжения должен характеризоваться как случайная авария сетевого происхождения, возникающая посредством изменения напряжения сети не столько из-за активной, сколько реактивной мощности. В качестве параметрической оценки провалов напряжения обычно используется изменение коэффициента мощности. При большом уровне фиксированной компенсации, направленной на уменьшение расхода реактивной мощности, возникает риск избыточной компенсации. Поэтому предлагается оценку вести по , при его значении 0,365 не возникает избыточной компенсации реактивной мощности даже с глубиной 100% устраняемого провала.

7. Предложен и исследован способ защиты приемников от перерывов питания за счет устройств динамического восстановления напряжения, осуществляющего его регулирование с использованием тиристорного преобразователя, обеспечивающего компенсацию прямой и обратной составляющих провала с 100 % их сглаживанием. Устройство универсально для динамической компенсации провалов и перенапряжений. При полной ликвидации отклонения напряжения длительность компенсации составляет 330 мс. Рекомендуется использовать устройства в комплексе со статическими ограничителями, способными защитить от высокочастотных перенапряжений, например, с разработанными активно-емкостными ограничителями. В этом случае обеспечивается защита, как от пробоев главной изоляции электрооборудования, так и между фазами, что является отличительной особенностью от существующих подобных устройств. Определено оптимальное число 11С - цепочек в устройстве. Оно сокращено от 6 до 4 с сохранением тех же защитных функций.

8. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований показано, что обеспечение требуемого уровня безотказности систем электроснабжения может быть достигнуто посредством управления очередностью использования резервного электрооборудования и дополнительных источников питания, а также их комплекса. Оценку степени независимости функционирования системы от отказов электрооборудования в соответствии с разработанным методом можно определять по величине коэффициентов связи. Они позволяют для принятых условий сводить интегрально-диференциальные уравнения анализа функционирования систем к алгебраическим. Применение резервного оборудования наиболее эффективно, когда изменение коэффициента связи лежит в пределах 0,0 - 0,7. Использование дополнительных источников наиболее эффективно при коэффициентах связи, соответствующих 0,3 -1 0

9. На основании разработанной методологии повышение безотказности системы и его оборудования целесообразно осуществлять по коэффициенту машинного времени, связанному с относительным приростом нагрузки на рабочие машины, а сравнение внедряемых мероприятий - по коэффициенту готовности. При оценке эффективности функционирования системы необходимо одновременно использовать коэффициент готовности и коэффициент простоя. Предложено теоретическое определение количественных соотношений, описывающих воздействие композиции негативных факторов с выделением из них наиболее опасных и вызывающих дополнительные возмущения. Это позволяет осуществить их первоочередную компенсацию, предотвращая развитие аварийных ситуаций, приводящих к отказу в системе электроснабжения. Использование коэффициентов связи для различных значений коэффициента машинного времени позволяет определять прирост нагрузки от внедрения мероприятий, направленных на повышение безотказности системы электроснабжения. Определена рентабельность предлагаемых мероприятий, оценивающая повышение эффективности функционирования системы. Установлено, что относительное изменение рентабельности при компенсации отдельных факторов не превышает 7%, а уменьшение рентабельности из-за недовыпуска продукции для систем без резервного оборудования и источников питания составляет до 30% по отношению к рентабельности, полученной за счет систем с резервированием.

Список работ, опубликованных по теме диссертации Публикации в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Зацепина В.И. Оценка функционирования систем электроснабжения с использованием суммарных потоков// Промышленная энергетика 2007 №2 С 26-28.

2. Зацепина В.И., Зацепин Е.П. Статистический анализ искажений напряжения в системах передачи, распределения и потребления электрической энергии// Вести высших учебных заведений Черноземья. 2011. №3. С. 24-28.

3. Зацепина В.И., Захаров К.Д. Определение зависимостей уровней напряжений в узловых точках электрической системы от гармонических составляющих// Вести высших учебных заведений Черноземья. 2010. №2. С. 27-30.

4. Зацепина В.И., Шпиганович A.A. Математическое описание функционирования элементов систем электроснабжения // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2008. №2. С. 239-242.

5. Бош (Зацепина) В.И. Оценка изменения параметров безотказности элементов систем// Горный информационно-аналитический бюллетень. 2007. №5. С.

53-56.

6. Зацепина В.И., Зацепин Е.П. Анализ провалов напряжения в системах электроснабжения // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2009. №1. С. 387-390.

7. Зацепина В.И., Зацепин Е.П., Шпиганович A.A. Минимизация провалов напряжения при совместной работе группы дуговых сталеплавильных печей// Промышленная энергетика. 2009. №1. С. 22-24.

8. Зацепина В.И., Зацепин Е. П. Анализ изменения параметров изоляционных конструкций систем электроснабжения// Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2008. №2. С. 235-239.

9. Зацепина В.И., Черных И.А., Шилов И.Г. Оценка сроков службы изоляции оборудования распределительных электрических сетей с учётом загрязнения окружающей среды//Промышленная энергетика. 2007. №6. С. 26-28.

10. Шпиганович А.Н., Боев М.В., Бош (Зацепина) В.И. Оценка параметров фильтров высших гармоник // Известия Тульского государственного университета. Серия. Проблемы управления электротехническими объектами. Выпуск 2. Тула, 2002. С. 49-51.

11. Бош (Зацепина) В.И. Резонансные явления от гармонических составляющих в системах электроснабжения// Промышленная энергетика. 2006. №7. С. 41-43.

12. Зацепина В.И., Зацепин Е.П. Особенности алгоритмов идентификации искажений напряжения в системах распределения, передачи и потребления электрической энергии// Вести высших учебных заведений Черноземья. 2011. №4. С. 3-6.

13. Зацепина В.И., Довженко C.B., Шпиганович A.A. Влияние частотного преобразователя на питающую сеть// Промышленная энергетика. 2009. №4. С. 52-54.

14. Зацепина В.И., Шилов И.Г., Мамонтов А.Н. К вопросу минимизации провалов напряжения на основе компенсации реактивной мощности // Вестник Тульского государственного университета: проблемы управления электротехническими объектами. Вып. 5. Тула, 2010. С. 14-16.

15. Шпиганович А.Н., Зацепина В.И., Шилов И.Г. Функционирование восстанавливаемых систем при учете компенсации искажений напряжения// Вести высших учебных заведений Черноземья. 2010. №4. С. 3-7.

16. Зацепина В.И., Шилов И.Г., Мамонтов А.Н. Система динамического подавления амплитудно-фазных искажений напряжения// Вести высших учебных заведений Черноземья. 2010. №1. С. 14-17.

17. Шпиганович А.Н., Зацепина В.И., Шилов И.Г. О восстановлении электроснабжения при кратковременных провалах напряжения// Промышленная энергетика. 2008. №10. С. 15-17.

18. Зацепина В.И., Шилов И.Г. Моделирование режимов сглаживания провалов напряжения и ограничения перенапряжений// Вести высших учебных заведений Черноземья. 2011. №2. С. 20-26.

19. Зацепина В.И., Шилов И.Г., Мамонтов А.Н. Комплекс гибридной динамической защиты объектов электроснабжения от искажений напряжения// Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2010. №1. С. 225-228.

20. Зацепина В. И., Имитационная модель устройства динамической компенсации перенапряжений// Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего

Востока. 2009. №1. С. 379-383.

21. Расчёт комбинированного трёхфазного резистивно-емкостного ограничителя напряжений/ В.И. Зацепина [и др.]// Промышленная энергетика. 2010. №2. С. 33-36.

22. Зацепина В.И., Шилов И.Г. Компенсация амплитудных искажений напряжения как способ минимизации кумулятивных отказов электрооборудования// Вести высших учебных заведений Черноземья. 2010. №3. С. 26-29.

23. Зацепина В.И., Корченова Т.А. Оценка коэффициентов мощности ру-дотермических печей ферросплавных производств// Промышленная энергетика. 2008. №Ц. с. 49-51.

24. Зацепина В.И., Шпиганович А.Н., Шурыгин Ю.А. Метод рационального запуска дуговых печей в работу // Вести высших учебных заведений Черноземья. 2011. №1. С. 22-28.

25. Зацепина В.И., Волутаева И.А. Обеспечение резонансного заземления нейтралей в распределительных сетях 6-35 кВ// Промышленная энергетика. 2008. №4. С. 28-31.

26. Зацепина В.И. Расчет элементов безотказности систем электроснабжения в условиях негативных возмущений// Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2010. №1. С. 244-247.

27. Зацепина В.И. Влияние избыточности на безотказность систем электроснабжения//Вести высших учебных заведений Черноземья. 2012. №1. С. 10-15.

Доклады и труды, опубликованные в российских изданиях

28. Бош (Зацепина) В.И. Математическое моделирование технических систем случайными импульсными потоками: Шестая Всероссийская научная конференция молодых исследователей «Шаг в будущее». Липецк: ЛГТУ, 1999. С. 46 - 47.

29. Бош (Зацепина) В. И. Описание нагрузок электрических систем суммарными потоками: сб. материалов науч.-техн. конф. студентов и аспирантов ФАИ ЛГТУ 24-25 апреля 2002. Липецк: ЛГТУ, 2002. С. 7-8.

30. Бош (Зацепин) В.И. Источники гармонических составляющих и оценка их мощности: Энергосбережение и энергоэффективные технологии: сб. докл. всероссийской науч.-техн. конф. 26-28 октября 2004. Ч. 1. Липецк: ЛГТУ, 2004. С. 9-15.

31. Бош (Зацепина) В.И. Резонансные явления от гармонических составляющих: электроэнергетика, энергосберегающие технологии: сб. докл. всероссийской науч.-техн. конф. 29-30 апреля 2004. Ч. 1. Липецк: ЛГТУ, 2004. С. 33-38.

32. Бош (Зацепина) В.И. Резонансные явления гармонических составляющих в системах электроснабжения металлургических предприятий: энергосбережение и энергоэффективные технологии: сб. докл. всероссийской науч.-техн. конф. 26-28 октября 2004. Ч. 1. Липецк: ЛГТУ, 2004. С. 71-77.

33. Бош (Зацепина) В.И. Оценка резонанса тока и напряжения гармонических составляющих: электроэнергетика, энергосберегающие технологии: сб. докл. всероссийской науч.-техн. конф. 29-30 апреля 2004. Ч. 1. Липецк: ЛГТУ, 2004. С. 13-15.

34. Шпиганович А.Н., Зацепина В.И., Шилов И.Г. Основы синтеза модулей систем активного подавления амплитудно-фазных искажений напряжения: информационные технологии в науке, образовании и производстве: материалы 4-й науч.-техн. конф. Т. 3. Орёл, 2010. С. 348-356.

35. Бош (Зацепина) В.И., Пестунов В.А. Влияние временной избыточности на функционирование технологических систем: электроэнергетика, энергосберегающие технологии: сб. докл. всероссийской науч.-техн. конф. 29-30 апреля 2004. Ч. 1. Липецк: ЛГТУ, 2004. С. 42-48.

36. Зацепина В.И., Захаров К.Д. Подавление возмущающих факторов систем электроснабжения металлургических предприятий как средство повышения их эффективности: повышение эффективности электрического хозяйства потребителей в условиях ресурсных ограничений: труды XXXIX Всероссийской науч.-практ. с междунар. участием конференции. М.: Технетика, 2009. Т. 1. С. 209-210.

37. Шпиганович A.A., Бош (Зацепина) В.И. Технико-экономическая оценка управления систем с резервом: энергосбережение и энергоэффективные технологии: сб. докл. всероссийской науч.-техн. конф. 26-28 октября 2004. Ч. 1. Липецк-ЛГТУ, 2004. С. 78-85.

38. Зацепина В.И., Зацепин Е.П. Математическое описание функционирования систем электроснабжения сталеплавильных производств // Вести высших учебных заведений Черноземья. 2007. №3. С. 28-33.

39. Зацепина В.И., Захаров К.Д., Пушница К.А. Оценка влияния параметров электрической системы электросталеплавильных производств на процесс перена-пряжения//Вести высших учебных заведений Черноземья. 2008. №4. С. 13-16.

40. Зацепина В.И. Влияние несинусоидальности напряжения на контактную систему электрических аппаратов металлургических производств // Вести высших учебных заведений Черноземья. 2009. №1. С. 3-6.

41. Шпиганович A.A., Зацепина В.И., Зацепин Е.П. Технико-экономическая оценка безотказности систем электроснабжения листопрокатных производств // Вести высших учебных заведений Черноземья. 2007. №4. С. 78-81.

42. Зацепина, В. И., Внуков A.A. Метод перехода от электромеханических релейных защит к микропроцессорным устройствам в современных условиях // Вести высших учебных заведений Черноземья. 2007. №1. С. 24-27.

Медународные конференции

43. Зацепина В.И. Построение математических моделей функционирования элементов систем электроснабжения: Энергетика и энергоэффективные технологии: сб. докл. междунар. науч.-техн. конф. Липецк: ЛГТУ, 2006. С. 192-197.

44. Шпиганович A.A., Зацепина В.И., Шилов И.Г. Вероятность появления провалов напряжения на неповреждённых узлах электрической сети: Энергообеспечение и безопаснсть: сб. материалов II междунар. выставки Интернет-конф. -Орёл: изд-во ОрёлГАУ, 2008. С. 44-49.

45. Зацепина В.И., Зацепин Е.П. Моделирование кратковременных провалов напряжения: X международная научно-практическая конференция «Высокие технологии фундаментальных исследований. Исследование высоких технологий в промышленности» СПб.: Изд-во Политехи, университета. Т. 3. 2010. С.241-243.

46. Зацепина В.И. Инженерный метод расчёта гармонических составляющих напряжений: Энергетика и энергоэффективные технологии: сб. докл. междунар. науч.-техн. конф. Липецк: ЛГТУ, 2006. С. 184-187.

47. Зацепина В.И., Шилов И.Г. О возможности динамической компенсации высших составляющих сети: Актуальные проблемы энергетики АПК: материалы международной науч.-техн. конф. Саратов, 2010. С. 381-382.

48. Шпиганович A.A., Зацепина В.И., Шилов И.Г. Реализация комбинированного запрета автоматического включения резерва: Современные проблемы

науки: сб. статей 1-й междунар. науч.-практ. конф. 28 марта 2008. Тамбов: ТГТУ, 2008. С. 153-155.

49. Зацепина В.И., Шилов И.Г. Реализация комбинированного запрета включения автоматического резерва на устойчивые короткие замыкания и провалы напряжения: Повышение эффективности электрического хозяйства потребителей в условиях ресурсных ограничений: труды XXXIX Всероссийской науч.-практ. с междунар. участием конференции. М: Технетика, 2009. Т. 1. С. 100-103.

50. Зацепина В.И., Мамонтов А.Н. Компенсация реактивной мощности как средство защиты от провалов напряжения: XVI Международная научн.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых учёных «Современные техника и технологии» «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» 12-16 апреля 2010 г. С. 51-53.

51. Зацепина В.И., Шилов И.Г. Модифицированный алгоритм учёта реактивной мощности: XVI Международная научн.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых учёных «Современные техника и технологии» «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» 12-16 апреля 2010 г. С. 49-51.

52. Зацепина В.И., Шилов И.Г. Комплекс динамического восстановления напряжения: Наука и устойчивое развитие общества. Наследие В. И. Вернандско-го: сб. материалов 3-й междунар. науч.-практ. конф. 25-26 сентября 2008. - Тамбов: из-во Тамбовпринт, 2008. С. 215-216.

53. Зацепина В.И., Шпиганович А.Н. Анализ и оценка функционирования восстанавливаемой системы с учетом компенсации искажении напряжения: сб. материалов ЕХ-ой международной научно-практической конференции «Энерго- и ресурсосбережение - XXI век», Орел, 15 марта - 30 июня 2011 г. Орел. 2011. С. 113-116.

54. Шпиганович A.A., Зацепина В.И., Шилов И.Г. Ограничение посадок напряжения с динамическим восстановлением электроснабжения: Инновационные технологии механизации, автоматизации и технического обслуживания в АПК: материалы междунар. науч.-практ. Интернет-конф. 17-18 марта 2008. Орёл: изд-во ОрёлГАУ, 2008. С. 153-157.

55. Зацепина В.И., Зацепин Е.П. Анализ искажений напряжения в системах электроснабжения металлургических предприятий: Энергетика и энергоэффективные технологии. V международная научно-практическая заочная конференция. Липецк: Издательство ЛГТУ, 2012. С. 16-20.

56. Зацепина В.И., Чаукин М.С. Нестационарные переходные режимы в распределительных сетях: сб. материалов ГХ-ой международной научно-практической конференции «Энерго- и ресурсосбережение - XXI век», Орел, 15 марта - 30 июня 2011 г. Орел. 2011. С. 127 - 129.

57. Зацепина В.И., Шилов И.Г. Зависимости показателей безотказности систем электроснабжения при возмущающих факторах: Энергообеспечение и строительство: сб. материалов III междунар. выставки - Интернет-конф. Ч. 1. Орёл, 2009. С. 42-46.

58. Зацепина В.И., Внуков A.A. Влияние электромагнитных помех на функционирование релейной защиты в системе электроснабжения: Энергетика и энергоэффективные технологии: сб. докл. междунар. науч.-техн. конф. Липецк: ЛГТУ, 2006. С. 220-224.

59. Зацепина В.И., Шилов И. Г. Определение экономических показателей

потребительской стоимости безотказности электроснабжения: Энергетика и энер-гоэффекгивные технологии. IV международная научно-практическая заочная конференция. Липецк: Издательство ЛГТУ, 2010. С. 17—20.

Монографии

60. Бош (Зацепина) В.И. Повышение эффективности функционирования в системах электроснабжения с резонансными явлениями гармонических составляющих в сталеплавильных и прокатных производствах: Монография. Липецк: ЛГТУ, 2005. 156 с.

61. Бош (Зацепина) В.И., Зацепин Е.П., Шпиганович А.Н. Введение в электроснабжение предприятий, организаций и учреждений: монографибЗ. Бош (Зацепина) В.И., Зацепин Е.П. Повышение эффективности функционирования систем электроснабжения с резонансными явлениями гармонических составляющих в сталеплавильных и прокатных производствах: монография. Липецк: ЛГТУ, 2005. 156 с.

62. Бош (Зацепина) В.И., Зацепин Е.П. Особенности систем электроснабжения сталеплавильных производств: монография/ Липецк: ЛГТУ, 2006. 152 с.

63. Бош (Зацепина) В.И., Зацепин Е.П. Повышение эффективности функционирования систем электроснабжения с резонансными явлениями гармонических составляющих в сталеплавильных и прокатных производствах: монография. Липецк: ЛГТУ, 2005. 156 с.

64.Шпиганович А. Н, Зацепина В. И., Зацепин Е. П. Нормализация переходных процессов и компенсация возмущающих факторов в системах электроснабжения: монография. Елец: МУП «Типография» г. Ельца, 2011. 165 с.

Патенты РФ

65. Патент RU №2289876 С1 кл. МПК H02J 3/01 (2006.01) H02J 3/26 (2006.01) 20 декабря 2006 г. Способ защиты потребителей электроэнергии от воздействия высших гармонических составляющих [Текст] // Шпиганович А.Н., Шпиганович A.A., Зацепина В.И., Довженко С.В.

66. Патент RU №2294044 С1 кл. МПК H02J 3/01 (2006.01) H02J 3/26 (2006.01) 20 февраля 2007 г. Способ защиты потребителей электроэнергии от воздействия высших гармонических составляющих [Текст] // Шпиганович А.Н., Шпиганович A.A., Зацепина В.И., Довженко С.В.

67. Патент RU №2343616 Российская Федерация МПК H02J 9/06, заявитель и патентообладатель ЛГТУ. - 2007147536/09; заявл. 19.12.2007; опубл. 10.01.2009. Бюл. №1. - 5 е.: ил. Способ запрета автоматического включения резерва провалы напряжения при недопустимых набросах мощности [Текст]//Шпиганович А.Н., Шпиганович A.A., Захаров К.Д., Зацепина В.И., Зацепин Е.П., Шилов И.Г.

68. Патент RU №2343617 Российская Федерация МПК H02J 9/06, H02J 13/00, заявитель и патентообладатель ЛГТУ. - 2007147534/09; заявл. 19.12.2007; опубл. 10.01.2009. Бюл. №1. - 6 е.: ил. Способ комбинированного запрета автоматического включения резерва на устойчивые короткие замыкания и провалы напряжения [Текст] // Шпиганович А.Н., Шпиганович A.A., Захаров К.Д., Зацепина В.И., Зацепин Е.П., Шилов И.Г.

69. Патент RU №2290730 С1 кл. МПК H02J 3/01 (2006.01) 27 декабря 2006 г. Устройство защиты потребителей электроэнергии от кратковременных провалов напряжения [Текст] // Шпиганович А.Н., Шляхов H.A., Захаров К.Д., Зацепин Е.П., Бош (Зацепина) В.И.

70. Патент RU №2290729 С1 кл. МПК H02J 9/06 (2006.01) 27 декабря 2006 г. Устройство защиты потребителей электроэнергии с непрерывным технологическим циклом от провалов напряжения [Текст] // Шпиганович А.Н., Шляхов H.A., Захаров К.Д., Зацепин Е.П., Бош (Зацепина) В.И.

71. Патент RU №2290731 С1 кл. МПК H02J 9/06 (2006.01) 27 декабря 2006 г. Устройство защиты потребителей электроэнергии от кратковременных нарушений электроснабжения [Текст] // Шпиганович А.Н., Шляхов H.A., Захаров К.Д., Зацепин Е.П., Бош (Зацепина) В.И.

72. Патент RU №2393611 С1 Российская Федерация МПК H02J 9/06, (2006.01) Н02Н 3/06, (2006.01) заявитель и патентообладатель ЛГТУ. -2009116972/09; заявл. 04.05.2009; опубл. 27.06.2010. Устройство динамического восстановления провалов напряжения [Текст] // Шпиганович А.Н., Шпиганович

A.A., Захаров К.Д., Зацепина В.И., Зацепин Е.П., ШиловИ.Г.

73. Патент RU №2394326 С1 Российская Федерация МПК Н02Н 3/20, (2006.01) Н02Н 9/04, (2006.01) заявитель и патентообладатель ЛГТУ. -2009114298/09; заявл. 14.04.2009; опубл. 10.07.2010. Комбинирований трёхфазный резистивно-емкостный ограничитель напряжений [Текст] // Шпиганович А.Н., Захаров К.Д., Зацепина В.И., Пушница К.А.

74. Патент RU №2330363 С1 МПК Н02Н 9/08 (2006.1) G01R 27/18 (2006.01) 2 апреля 2007 г. Способ настройки резонансного заземления нейтрали трёхфазных электрических сетей переменного тока [Текст] // Шпиганович А.Н., Шпиганович A.A., Захаров К.Д., Зацепин Е.П., Зацепина В.И., Шилов И.Г.

75. Патент RU №2338338 Российская Федерация МПК Н05В 7/148, F27B 3/28, заявитель и патентообладатель ЛГТУ. 2007112074/02 заявл. 02.04.2007; опубл. 10.11.2008. Бюл. №31. 6 е.: ил. Способ регулирования реактивной мощности, потребляемой группой дуговых печей [Текст] // Шпиганович А.Н., Шпиганович A.A., Захаров К.Д., Зацепина В.И., Зацепин Е.П., Шилов И.Г.

76. Патент RU №2275758 С1 кл. МПК Н05В 7/148 (2006.1) 01 сентября 2004 г. Способ регулирования мощности дуговой электропечи трехфазного переменного тока [Текст] // Шпиганович А.Н., Захаров К.Д., Зацепин Е.П., Бош (Зацепина)

B.И.

77. Патент RU №2275759 С1 МПК Н05В 7/148 01 сентября 2004 г. Способ регулирования мощности по фазам трёхэлектродной дуговой электропечи переменного тока [Текст] // Шпиганович А.Н., Захаров К.Д., Зацепин Е.П., Бош (Зацепина) В.И.

78. Патент RU №2424639 Российская Федерация МПК Н05В7/148, заявитель и патентообладатель ЛГТУ. - 2010118038/07 заявл. 05.05.2010; опубл. 20.07.2011. Бюл. №20.Способ пофазного регулирования мощности трехэлектрод-ной электропечи переменного тока [Текст] // Шпиганович А.Н., Шпиганович A.A., Зацепина В.И., Зацепин Е.П., Шурыгин Ю.А.

Личный вклад автора. Основные научные результаты, опубликованы в работах [1,5,11,20,26—33,40,43,46,60], написанных автором лично. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежат: постановка задачи и разработка математических моделей [3,4,7,8,15,18,22,35,41,45.47,52-58,63.64], разработка математических моделей и алгоритмов [12,36], разработка методических подходов, обобщения и выводы [2,6,21,25,34,38,42,50,51,55,56,59,61,64-78], расчетная часть и выводы [9-10,13,14,16,17,19,23,24,37,39,44,48,49,62].

Подписано в печать 28.02.2014. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная.

Ризография. Усл. печ. л. 2,0. Тираж 140 экз. Заказ № Издательство Липецкого государственного технического университета. Полиграфическое подразделение Издательства ЛГТУ. 398600 Липецк, ул. Московская, 30

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет»

На правах рукописи

05201 451 228 ЗАЦЕПИНА ВИОЛЕТТА ИОСИФОВНА

ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОТКАЗНОСТИ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ ЗА СЧЕТ НОВЫХ СРЕДСТВ КОМПЕНСАЦИИ НЕГАТИВНЫХ ФАКТОРОВ

Специальность 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант: д-р техн. наук, профессор Шпиганович Александр Николаевич

Липецк-2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................5

1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.......................17

1.1 Особенности функционирования систем электроснабжения промышленных предприятий...............................................................................17

1.2 Обзор методов исследования безотказности электрических систем........21

1.3 Задачи исследования.......................................................................................45

2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ И ОЦЕНКА ВОЗДЕЙСТВИЯ ВОЗМУЩАЮЩИХ ФАКТОРОВ НА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ......................................................................................48

2.1 Математическое описание взаимодействия элементов систем с учетом иерархичности их структур..................................................................................48

2.2 Возможные источники негативных факторов систем промышленных производств............................................................................................................64

2.3 Оценка влияния возмущающих факторов по длительности их воздействия на функционирование системы и ее оборудование.....................79

2.4 Амплитудно-временное влияние негативных факторов в системах электроснабжения.................................................................................................87

2.5 Взаимодействие негативных факторов и их влияние на

функционирование системы электроснабжения..............................................103

2.6. Упрощенный метод анализа компенсации возмущающих факторов

с учетом изменения функциональных параметров систем......................108

ВЫВОДЫ..................................................................................114

3 ИНФОРМАЦИОННО-МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ВОЗМУЩАЮЩИХ ФАКТОРОВ КАК ИСТОЧНИКОВ НЕГАТИВНОГО ВЛИЯНИЯ НА БЕЗОТКАЗНОСТЬ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ

ПРОИЗВОДСТВ..................................................................................................116

3.1 Особенности структур систем электроснабжения металлургических производств..........................................................................................................116

3.2 Провалы напряжения в системах электроснабжения................................128

3.3 Перенапряжения в электрических системах..............................................147

3.4 Высшие гармонические составляющие - причина диэлектрических и электрических потерь электрооборудования, резонансных явлений коротких замыканий и перенапряжений в электрических системах.............161

3.5 Прочность электроизоляционных конструкций оборудования

при наличии негативных факторов...................................................................174

ВЫВОДЫ...................................................................................195

4 АНАЛИЗ СТАТИЧЕСКОЙ И ДИНАМИЧЕСКОЙ КОМПЕНСАЦИИ НЕГАТИВНЫХ ФАКТОРОВ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ.....199

4.1 Ограничение воздействия гармонических составляющих и их резонансных явлений на эффективность функционирования систем...........199

4.2 Защита от кратковременных нарушений электроснабжения при помощи динамического ограничителя тока......................................................................209

4.3 Параметрическая защита сети от изменений напряжения на принципе компенсации реактивной мощности..................................................................245

4.4 Динамическое восстановление провалов напряжения..............................255

4.5 Динамическая компенсация перенапряжений

в электрических сетях 6-10 кВ...........................................................................268

4.6 Комбинированный трехфазный резистивно-емкостный ограничитель перенапряжений..................................................................................................274

4.7 Высоковольтный выключатель как элемент устранения негативных

факторов в электрической системе....................................................................283

ВЫВОДЫ...................................................................................288

5 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМ

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРОИЗВОДСТВ................292

5.1 Обоснование мероприятий повышения эффективности работы

систем электроснабжения..............................................................292

5.2 Зависимость показателей безотказности систем электроснабжения от

возмущающих факторов.....................................................................................299

5.3 Оценка воздействия негативных возмущений на функционирование системы электроснабжения................................................................................309

5.4 Анализ влияния резервирования на безотказность системы электроснабжения...............................................................................................320

5.5 Методология повышения безотказности систем электроснабжения

промышленных предприятий.............................................................................329

ВЫВОДЫ.............................................................................................................336

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................339

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................................344

ПРИЛОЖЕНИЕ А Схемы электрических соединений

различных производств......................................................................................383

ПРИЛОЖЕНИЕ Б К анализу провалов напряжения в системах

электроснабжения металлургических предприятий........................................392

ПРИЛОЖЕНИЕ В Влияние эффективности функционирования

электроизоляционных конструкций на возмущающие факторы...................400

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Результат моделирования функционирования

динамического ограничителя тока....................................................................410

ПРИЛОЖЕНИЕ Д Акты внедрения результатов работы в производство...................................................................................................416

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года предусматривает развитие энергетического сектора в рамках перехода российской экономики на инновационный путь развития. Основана она на анализе существующих тенденций и новых системных подходов развития энергетики, учитывающих возможные колебания внешний и внутренних условий экономического состояния страны. Одним из главных приоритетов служит развитие рыночной инфраструктуры энергетики (рыночные механизмы, институты открытой торговли энергоресурсами, инфраструктура их транспорта). Снижение удельной энергоемкости экономики является центральной задачей энергетической политики, без решения которой энергетический сектор неизбежно будет сдерживать социально-экономическое развитие страны. К числу базовых составляющих государственной энергетической политики сегодня относится инновационная и научно-техническая деятельность в энергетике в условиях посткризисного состояния на энергоемких производствах. В условиях жесткой конкуренции отечественные производители обязаны постоянно совершенствовать свой технологический процесс, переходя на новые, инновационные технологии. Однако, это не возможно без отлаженной и тщательно спланированной работы всего производственного комплекса, эффективность функционирования которого в значительной степени определяется безотказностью и стабильностью работы системы электроснабжения.

Совершенствование технологического процесса связано с оснащением предприятия современной передовой техникой и оборудованием. Системы электроснабжения, как правило, выстраиваются с учетом места расположения производств, их числа, мощности, режимов работы машин, а также согласно технологическим и техническим факторам. Безотказности в данном случае отводится второстепенная роль. Не учет безотказного обеспечения электрической энергией системой электроснабжения технологических машин

оказывает значительное воздействие на показатели их работы, особенно для предприятий с высокой степенью автоматизации. Перерывы в электроснабжении способствуют уменьшению длительности работы машин, а соответственно, увеличивают длительность и частоты вынужденных остановок. Это приводит к материальным убыткам из-за недополученной продукции, брака, а во многих случаях и затратам на ремонт оборудования. Например, переключение нагрузки прокатного производства с одного питающего трансформатора на другой, вызывает провалы напряжения, что приводит к браку, исчисляющемуся сотнями тысяч рублей. Любые нарушения в электроснабжении в результате переходных процессов связаны с резонансными явлениями, особенно в системах с высшими гармоническими составляющими. При этом, из-за перегревов электрооборудования возможны возникновения коротких замыканий с переходом от однофазных замыканий к двухфазным, а двухфазных к трехфазным. Изменяется характер взаимосвязей между элементами системы электроснабжения. В результате происходит ускоренный процесс старения изоляционных материалов и выход из строя электрооборудования.

Поэтому проблема повышения безотказности систем электроснабжения в современных условиях развития хозяйства России является особенно актуальным и приоритетным стратегическим направлением.

В разработку методов построения систем электроснабжения значительный вклад внесли как российские, так и зарубежные ученые: Блок В.М., Бочаров Ю. Н., Вариводов В. Н., Гамазин С.И., Горпипич А. В., Денисов В. И., Ершов М.С., Жежеленко И. В., Жилин Б.В., Иванов A.B., Иванов В. И., Иванов В. С., Ильиных М. В., Кадомская К. П., Казаков О. И., Кальдон Р., Кирюхин А. 10., Князевский Б. А., Коверникова Л. И., Колбин А.И., Конюхова Е.А., Корнилов Г. П., Кривенко А. И., Кудрин Б.И., Курганов В. В., Лазарев Г. Б., Манилов A.M., Минеев Р. В., Михель А. А., Муравьев В. П., Неми-ровский А.Е., Пиковский A.A., Розанов, Ю. К., Селивахин А.И., Сероватин

A.И., Сибикин Ю.Д., Синьчугов Ф.И., Таев И.С., Тимофеев Б.Б., Тропин В.

B., Фишман B.C., Фотиев Н.М., Фраер И. В., Хабигер Э., Халилов Ф. X.,

Чэпмэн Д., Шабад М. А., Шклярский Я. Э., Эдельман В. И.

Исследованием безотказности систем электроснабжения промышленных предприятий успешно занимались: Абдуллазянов Э. Ю., Абрамович Б.Н., Агунов А. В., Александров Г.Н., Веников В.А., Володарский В.А, Дегтярев И. Л., Дмитриев В. Л., Евдокунин Г.А., Железко Ю.С., Карташев И. И., Качесов В. Е., Мещеряков В.Н., Кучеров Ю.Н., Фархадзаде Э. М., Овчаренко A.C., Качанов А. Н., Пампуро В.И., Прокопчик В.В., Розанов М.Н., Смирнов А. С., Смирнов С. С., Степкина Ю. В., Фокин Ю.А., Шпиганович А. Н. и другие.

На развитие подходов, связанных с безотказностью систем электроснабжения огромное влияние оказывают основные положения общей теории надежности, разработанные Барлоу Р., Биллингоном Р., Бусленко Н.П., Гришкевичем А. А., Гуком 10. Б., Ермолиным II.П., Коненковым Ю. П., Луц-ким В. А., Майном X., Руденко Ю. Н., Ушаковым И.А. и другими.

Степень разработанности проблемы. Исследования, проводимые по настоящее время, посвящены в подавляющем большинстве случаев количественной оценке параметров безотказности и отображают результаты, не учитывающие воздействия перерывов в электроснабжении на характеристики производственных процессов и работу технологических машин. Безотказность систем электроснабжения нельзя рассматривать отдельно от работы технологической системы, системы автоматики, теплоснабжения, транспорта, и т. д. Чтобы получить оптимальный уровень параметров функционирования технологических систем предприятий, следует использовать комплекс взаимодействующих мероприятий, обеспечивающих повышение эффективности функционирования электроснабжения. Поэтому, необходимо оценивать безотказность систем электроснабжения с учетом взаимодействия электрооборудования с оборудованием других систем производств промышленного предприятия. Основным является выпускаемая продукция, на ее получение направлено действие всех систем, в том числе и системы электроснабжения. Следовательно, для решения поставленной проблемы целесообразен

методологический подход, объединяющий исследование функционирования технологических процессов и систем электроснабжения с последующим развитием теоретических основ потоков случайных событий. Потоки случайных событий могут использоваться как в качестве математических моделей, описывающих протекание выпуска продукции и работу систем электроснабжения. Многоцелевой анализ безотказности систем электроснабжения с оценкой эффективности мероприятий по ее повышению с учетом погочноцик-личного производства и взаимосвязей электрического оборудования с функционированием технологических машин даст возможность всесторонне обосновать и разработать методы и средства, оптимизирующие параметры электроснабжения промышленных производств.

Целью работы является развитие теории безотказности систем электроснабжения с учетом функционального взаимодействия электрооборудования с технологическими машинами и создании на ее основе методов и средств, обеспечивающих анализ и рациональное управление параметрами безотказности систем электроснабжения при интенсивном воздействии комплекса негативных возмущающих факторов в сложных условиях производств.

Основной задачей работы является развитие в теоретическом и практическом плане основ анализа и управления безотказностью иерархических систем электроснабжения с оценкой целесообразности эффективности применения методов разложения на отдельные возмущения совместного комплекса факторов и средств первоочередной компенсации наиболее опасных из них.

Научная новизна работы заключается в:

- разработке структурно-функциональной модели системы электроснабжения с учетом взаимодействия электрооборудования с технологическими машинами, отличающейся учетом влияния на функционирование системы случайных негативных факторов и их композиций;

- выявлении новых закономерностей изменения функционирования

технологической системы, вызванного воздействием отдельных негативных возмущающих факторов и их композицией в системе электроснабжения, для оценки мероприятий, повышающих безотказность электрической системы;

- получении новой методики определения коэффициентов кратности частот, позволяющей по алгебраическим зависимостям рассчитывать спектры частот через параметры системы электроснабжения и характеристики возмущений, при которых наблюдаются экстремальные значения токов и напряжений при наличии негативных факторов;

- разработке нового математического описания анализа спектра гармонических составляющих в узлах систем электроснабжения, позволяющего выявлять закономерности возникновения резонансных явлений на высших гармониках, отличающегося использованием коэффициентов кратности частот при учете характеристик системы;

- разработке математического описания анализа влияния негативных факторов на изоляционные конструкции электрооборудования, позволяющего оценивать влияние параметров выбросов напряжений на эффективность и безотказность функционирования систем электроснабжения отличающееся учетом влияния загрязнений на равномерность распределения напряжения вдоль изоляционной конструкции;

- разработке математического описания функционирования восстанавливаемых систем при воздействии случайных факторов, приводящих к постепенным и внезапным отказам элементов с учетом коэффициентов эффективности вида резервирования, для оценки мероприятий, повышающих безотказность всей системы электроснабжения, а не отдельных ее элементов;

- в разработке методики оценки негативного воздействия взаимосвязанных, зависимых факторов на эффективность функционирования систем электроснабжения, основанной на разложении спектра совместного действия негативных факторов на отдельные возмущающие факторы и позволяющей определить влияние выделенного фактора или отдельных их сочетаний на функционирование систем;

- в разработке методики обоснования рационального применения комплекса мероприятий, обеспечивающих рациональные параметры безотказности электрических систем предприятий, на основе разделения источников негативных возмущающих факторов, учете приращения тока и диэлектрических потерь, использования комплекса статической и динамической компенсации зависимых возмущающих факторов с обоснованием очередности их компенсации по значимости воздействия на функционирование системы электроснабжения.

Теоретическая значимость работы состоит в разработке:

- модели функционирования системы электроснабжения с учетом структурно-функциональной взаимосвязи электрооборудования с технологическими машинами, при воздействии спектра случайных негативных факторов, применимой для любых промышленных объектов;

- математического описания функционирования восстанавливаемых систем при воздействии случайных негативных возмущений, вызывающих внезапные и постепенные отказы электрооборудования или отдельных его соединений с