автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Обеспечение эффективности функционирования электрических систем листопрокатного производства

Липецкий государственный технический университет

На правах рукописи

СЕРЕДКИН ОЛЕГ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ ЛИСТОПРОКАТНОГО

ПРОИЗВОДСТВА

Специальность 05.09.03 - электротехнические комплексы и системы, включая

их управление и регулирование

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор ШПИГАНОВИЧ А.Н.

Липецк 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..........................4

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Обзор литературных источников...............8

1.2. Задачи исследования....................24

2. ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

2.1. Математическая модель функционирования элемента электрической системы.........................27

2.2. Временное взаимодействие между элементами электрической системы..........................36

2.3. Возможные источники возмущающих факторов.........49

2.4. Оценка возмущающих факторов электрооборудования......53

3. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ НЕСИНУСОИДАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ, ВОЗНИКАЮЩИХ В УСЛОВИЯХ ЛППАОНЛМК

3.1. Функционирование электрооборудования и возмущения, возникающие в электрических сетях ЛПП.....................59

3.2. Анализ параметров качества электроэнергии в зависимости от возмущающих факторов.....................65

3.3. Расчет параметров несинусоидальных режимов системы электроснабжения ЛПП....................71

3.4. Влияние высших гармонических составляющих на оборудование систем электроснабжения......................79

3.5. Влияние высших гармонических составляющих на изоляционное покрытие токоведущих частей электрооборудования.........84

3.6. Оценка средств и способов компенсации возмущающих факторов в сетях ЛПП.........................90

4. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА КОМПЕНСАЦИИ ВЫСШИХ ГАРМОНИЧЕСКИХ СОСТАВЛЯЮЩИХ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРЕДПРИЯТИЙ

4.1. Методика сбора и обработки статистической информации.....96

4.2. Проверка соответствия теоретических зависимостей.......105

4.3. Определение ущерба, обусловленного несинусоидальностью напряжений и токов.....................108

4.4. Упрощенный расчет безотказности оборудования систем электроснабжения ЛПП...................115

4.5. Методика построения рациональных систем электроснабжения ЛПП 118

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................129

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК................131

ПРИЛОЖЕНИЕ 1........................141

ПРИЛОЖЕНИЕ 2........................149

ПРИЛОЖЕНИЕ 3........................162

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Металлургия в значительной степени определяет жизнеспособность страны. Отечественные стали и металлопродукты пользуются устойчивым спросом на мировых рынках. Они являются одним из важнейших источников поступления валюты, которая в современной ситуации так необходима стране. В условиях жесткой конкуренции отечественные производители обязаны постоянно совершенствовать свой технологический процесс, переходить на новые, отвечающие современным требованиям, сорта стали. Переход не возможен без использования отлаженной и тщательно спланированной работы всего металлургического комплекса, чью эффективность функционирования в значительной степени определяет надежность и стабильность работы системы электроснабжения.

Современное листопрокатное производство состоит из совокупности взаимосвязанных систем: технологической, электрической, системы автоматики, телемеханики, связи. Каждая из систем не может функционировать обособленно, не образуя с другими системами комплекс взаимосвязей. Межсистемная взаимосвязь оказывает существенное влияние на эффективность функционирования оборудования. Это относится и к электрической системе. Непостоянная нагрузка технологических машин вызывает появление в ней отклонения (колебания) напряжения и частоты. Использование индуктивно -емкостных нагрузок, полупроводниковых преобразователей, способствует возникновению высших, с непостоянными уровнями, гармонических составляющих. Высшие гармонические составляющие вызывают дополнительные потери активной мощности, приводят к перегреву электрооборудования, снижают эффективность работы аппаратов распределительных устройств, способствуют переходу однофазных коротких замыканий в двухфазные, а двухфазных в трехфазные, нарушают работу электроизмерительных приборов и устройств релейной защиты. Они изменяют характер взаимосвязей между

элементами системы, в результате чего, под действием ускоренного протекания процессов старения изоляционных материалов, наработка на отказ оборудования уменьшается. Возникающие в результате электромагнитной несовместимости экономические ущербы обусловлены главным образом ухудшением энергетических показателей, снижением надежности функционирования электрических сетей и сокращением срока службы электрооборудования. Все эти факторы выводят задачу повышения безотказности электрооборудования в сетях с высшими гармоническими составляющими, в разряд актуальных и наиболее важных.

Целью работы является построение рациональных электрических систем с расширенным спектром высших гармонических составляющих и исследование их воздействия на эксплуатационные свойства электрооборудования.

Идея работы заключается в обеспечении электромагнитной совместимости между элементами электрических систем путем компенсации высших гармонических составляющих за счет рационального распределения возмущающей нагрузки.

В соответствии с указанной целью в данной работе поставлены следующие основные задачи исследования:

- разработка математических моделей, отражающих временное и амплитудное взаимодействие оборудования в системе электроснабжения листопрокатного производства;

- определение наработки на отказ электрооборудования распределительных устройств систем с расширенным спектром высших гармонических составляющих;

- выявление зависимостей, характеризующих тепловые воздействия высших гармонических составляющих на безотказность изоляции электрооборудования;

- анализ эффективности компенсации высших гармонических составляющих посредством рационального построения системы, применения ком-

пенсируюпщх устройств;

- теоретическое обоснование и разработка методов и средств, уменьшающих число отказов в электрических сетях с высшими гармоническими составляющими;

- разработка методики построения рациональной системы, осуществляющей безотказное обеспечение электрической энергией рабочих машин листопрокатного производства металлургических комбинатов.

Научная новизна. На основании преобразований случайных импульсных потоков разработаны математические модели, отражающие процессы временного и амплитудного взаимодействия элементов систем, описывающие генерацию высших гармонических составляющих в зависимости от нагрузки технологических машин. Произведена замена теплового действия высших гармонических составляющих эквивалентным значением по отношению к току промышленной частоты, позволяющая определять допустимую нагрузку оборудования и рассчитывать его наработку.

Практическая ценность. Разработанные методики позволяют аналитически рассчитывать показатели безотказности оборудования распределительных устройств в зависимости от параметров технологического процесса, определять допустимую нагрузку на кабели, реакторы, трансформаторы с учетом действия на них высших гармонических составляющих, устанавливать значения дополнительных затрат, связанных с отказом оборудования. Предложен комплекс мероприятий, увеличивающий безотказность оборудования.

Достоверность результатов. Точность математической модели подтверждена параметрами и количественными характеристиками безотказности оборудования распределительных устройств, полученными в ходе натурных исследований. Средние квадратические отклонения, доверительные границы, критерии согласия являлись мерами точности исходных данных. Результаты сравнения показателей безотказности оборудования, функционирующего с

неодинаковыми параметрами высших гармонических составляющих, подтвердили правильность полученных теоретических выводов.

Реализация работы Результаты работы были использованы в цехах листопрокатного производства и получили одобрение на расширенном заседании электроэнергетического комитета ОАО "НЛМК". Ожидаемый экономический эффект от внедрения предлагаемых мероприятий в среднем по цехам данного профиля составляет 14 152 условные единицы.

Апробация работы. Основные научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных конференциях ЛГТУ, конференции "Ученые аграрники сельскохозяйственному производству", Кострома, 1995, Всероссийских конференциях: "Электрооборудование, электроснабжение, электропотребление." Москва1995, всероссийской конференции "Электрооборудование, электроснабжение, электропотребление.", Москва , научно-технической конференции, посвященной 40-летию Липецкого государственного технического университета, Липецк 1996, первой региональной научно-практической конференции "Педагогические проблемы в контексте перехода на многоуровневую систему образования". Липецк 1996.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения четырех глав, заключения, библиографического списка использованной литературы и трех приложений. Общий объем диссертации 166 е., в том числе 130 с. основного текста, 18 рисунков, 12 таблиц.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ, ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Обзор литературных источников

Совершенство проектных и эксплуатационных решений по созданию, управлению и развитию электрических систем предполагает определение рационального выбора электроснабжения потребителей на основе количественных и качественных критериев [1] . Наиболее важной формой исследований в данном случае служит анализ на основе параметров, отображающих эффективность его функционирования.

Проблема безотказного обеспечения электрической энергией промышленных предприятий в современной экономической ситуации имеет особую значимость . Она особенно актуальна для производств, на которых применяется технологический процесс, сопровождающийся непостоянством нагрузки рабочих машин . К ним относятся металлургические комбинаты, в том числе и Новолипецкий металлургический комбинат (ОАО "НЛМК") . Статистические исследования [2] показывают, что доля электроприемников, функционирующих в условиях непостоянной нагрузки, постоянно растет . Использование оборудования с подобной циклограммой нагрузок самым неблагоприятным образом сказывается на электрических показателях системы электроснабжения [3], уменьшает эффективность ее функционирования [4], вызывает отказы электрического и технологического оборудования . Существует достаточно много подходов к анализу и решению задач, связанных с переменными нагрузками рабочих машин . Однако их решение затруднено хотя бы тем, что время переходных режимов в системах определяется условиями технологического процесса . Оно обычно составляет около двух-четырех минут . Это в большинстве случаев не позволяет применять обычные методы анализа [2] . Принятие таких допущений, как постоянство переход-

ной эдс, пренебрежение параметрами электромагнитных составляющих, неучет случайности исходных данных искажает рассматриваемый процесс . Необходимость математического исследования свойств системы электроснабжения как объекта управления, рассматривается в [5, 59, 60, 61] . Для оценки режимов работы системы авторы [6, 7] выдвигают разработку методики пассивного эксперимента . Она основывается на применении положений теории вероятности совместно с теорией потоков . Достоверность исследования состояний системы определяется по трем основным факторам: адекватностью методов расчета реальным системам, точностью исходных данных и погрешностью вычислений [8] . Большинство используемых методов расчета [62, 63, 64] базируется на заранее принятых законах и распределениях исследуемых параметров . В действительности же распределения и их параметры должны определяться на основе статистических данных, получаемых в производственных условиях . Более того, достоверность ранее полученных сведений со временем нарушается . Наличие принятых ограничений обуславливает высокую вероятность ошибочности математической модели анализируемой системы [9] . Однако невозможно представить разветвленную систему электроснабжения, опираясь только на положения теории вероятности [10]. Если определить, что каждый элемент системы находится только в двух состояниях, то необходимо рассмотреть 2" вариантов, в трех состояниях - 3я вариантов . Осуществить подробный анализ системы даже с использованием вычислительной техники практически невозможно .

Современные системы электроснабжения промышленных предприятий относятся к сложным [72 . . . 88] . Как любая сложная система они состоят из большого числа элементов, обладают всеми видами избыточности [65, 66, 67,68]. Их элементы не только взаимодействуют между собой, но и взаимосвязаны с элементами других систем, таких как технологическая, системы транспорта, автоматики, телемеханики, связи и т . д . Основной любого предприятия, в том числе и металлургического, является технологическая

система . Она определяет режим работы системы электроснабжения, а также других систем . Учет всех возможных комбинаций между элементами сложной системы, а тем более взаимосвязей, является настолько сложной задачей, что на практике стараются перейти к упрощенной модели, относительно которой ведется анализ . Как правило, математическая модель системы отображается в виде систем дифференциальных уравнений . Чтобы упростить решение в [10] предлагается свести ее к системе более низкого порядка. Метод основан на использовании выражений, записанных в операторной форме. Он позволяет найти аналитическое выражение всех основных величин [11,12, 13] . При решении дифференциальных уравнений с использованием ЭВМ немаловажным фактором является выбор шага интегрирования, неверное значение которого ведет к неоднозначности решения . В зависимости от выбранного метода, а также шага интегрирования, авторами [14] предлагается методика оценки точности значений численного интегрирования . Результаты анализа литературных источников позволяют судить о том, что расчет эффективности функционирования сложных систем, выполненный только на основе теории вероятности, затруднен и не позволяет получить приемлемую точность . Взаимосвязи между элементами системы в литературных источниках пока не нашли отражения . Вызвано это не только сложностью поставленной задачи, но и отсутствием или неопределенностью статистических данных, которые следуют из-за многокритериальности задачи [14, 15, 16] . Учет случайного характера исходных величин является одной из наиболее важных задач. Трудность ее решения связана не только с отображением случайных оценок показателей, но и с определением достоверности расчетов, граничных значений доверительных интервалов . Основной задачей при анализе эффективности функционирования систем электроснабжения является определение допустимой области управления . Исходные зависимости, характеризующие параметры элементов в производственных условиях, носят случайный характер . Это приводит к определению рационального режима и

и

допустимой области управления . Применение исходных данных случайного характера и переход от детерминированной модели к стохастической обуславливается неполнотой информации функционирования элементов и систем.

Целесообразность этого метода зависит от объективной оценки достоверности граничных значений интервала и неопределенности используемых показателей [17].

Среди известных методов учета случайного характера исходных данных подход суммирования вероятностей позволяет получать результаты, наиболее соответствующие реальным условиям . В [17] показано, что при моделировании случайных процессов исходные величины для каждого элемента должны определяться своими показателями . Приписывание однотипным элементам одних и тех же численных значений приводит к неопределенности показателей, характеризующих систему . Это естественно, так как каждый элемент работает в своих условиях, он подвергается воздействиям как со стороны электрической, так и других систем . Поэтому однотипные элементы одной и той же системы не всегда могут характеризоваться одинаковыми показателями . Понятие эффективного функционирования системы используется для оценки способности системой выполнять функции безотказного снабжения электрической энергией потребителей . При ее оценке в [18] предлагается различать три основных уровня, относительно которых производят оценку . Это уровень выработки эне