автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Повышение надежности функционирования электрооборудования при провалах напряжения в системах электроснабжения

РМ од

На правах рукописи

2 2 СЕН 1338

НАУМОВ Олег Анатольевич

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ПРИ ПРОВАЛАХ НАПРЯЖЕНИЯ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Специальность 05.09.03 - электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидат технических наук

Москва - 1998

Работа выполнена на кафедре Электроснабжения промышленных предприятий Московского ордена Ленина и ордена Октябрьской революции энергетическою института (Технического университета).

Научный руководитель

()<|>ициальныс опнонсн I ы

- доктор технических наук,

- профессор Г'АМАЗИН С. И.

- доктор «ехнических наук,

- профессор Ершов М. С.

- кандидат юхпичсскич нпук,

- Никифорова 1). II.

Ведущее предприятие АО "Гипротрубопровод"

. С-о

Защита состоится ^, / ^ 1998 г. в час. в ауди-

тории М-214 на заседании диссертационного Совета К 053.16.06 Московского ордена Ленина и ордена Октябрьской революции энергетического института (Технического университета) по адресу. 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 13.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью) просим направлять по адресу. 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый Совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ). Автореферат разослан " ^ " _1998 г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета К 053.16.06

кандидат технических наук, доцент АнчароваТ. В.

ОБЩЕЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Актуальность темы. Провалы напряжения, являясь прямыми следствиями коротких замыканий в системах электроснабжения(СЭС), настолько же неизбежны, насколько неизбежны сами короткие замыкания. Среди электрооборудования можно выделить группу чувствительных и особо чувствительных к провалам напряжения потребителей электроэнергии и элементов СЭС. К ней относятся в первую очередь потребители, имеющие в своем составе элементы микропроцессорной техники и компьютеры управления процессом, а также контакторы, магнитные пускатели, элементы релейной защиты и автоматики. Провалы напряжения, возникающие в СЭС, могут привести к сбоям в работе систем ЭВМ, особенно опасных в режиме управления, к необоснованным массовым отключеньям потребителей электрической энергии, подключаемых к электрическим сетям до 1000 В с помощью контакторов и магнитных пускателей, к неселективной работе или сбоям в срабатывании релейной защиты и автоматики СЭС.

Повышение надежности функционирования оборудования при провалах напряжения может быть достигнуто путем согласованного применения двух групп мероприятий: системы способов и средств повышения надежности СЭС по отношению к коротким замыканиям и сокращению их длительности; систем способов и средств, приводящих к снижению чувствительности электрооборудования к провалам напряжения, которые могут быть внедрены на стадиях разработки и проектирования оборудования, как правило, за счет повышения стоимости изделия. Оптимальное сочетание этих двух групп мероприятий позволяет существенно уменьшить как суммарные затраты на СЭС, гак и ущерб ог последствий провалов напряжения.

Обзор научных публикаций по выбранной тематике показал, что эти вопросы либо не решены, либо разработаны недостаточно. Поэтому тематику повышения надежности электрооборудования к провалам напряжения следует признать актуальной.

Цель диссертации состоит в анализе закономерностей появления провалов напряжения в системах электроснабжения и способов повышения надежности функционирования электрооборудования при их возникновении.

Достижение конечной цели диссертации осуществлялось путем последовательного решения следующих задач: разработка концепции и технических требований к приборам для измерения и регистрации провалов напряжения; разработка математической модели для описания возникновения и динамики провалов напряжения в системах электроснабжения, обусловленных основными видами коротких замыканий; расчетные и экс-перимептальные исследования проникновения провалов напряжения на различные уровни системы электроснабжения и выявление закономерностей; разработка методики прогнозирования провалов напряжения в системах электроснабжения; анализ способов и средств для уменьшения последствий провалов напряжения на функционирование электрического и электронного оборудования.

На защиту выносится способ математического моделирования причин возникновения, процессов развития и глубины проникновения провалов напряжения в системах электроснабжения произвольной структуры, конфигурации и состояния; система программ TKZ для расчетно-экспериментальных исследований проникновения провалов напряжения на различные уровни систем электроснабжения, обусловленных любыми видами коротких замыканий на произвольном уровне системы электроснабжения; выявление в ходе расчетно-экспериментальных исследований закономерностей проникновения провалов напряжения на различные уровни системы электроснабжения в зависимоеги oi удаленности места КЗ, его вида, от состава электрических нагрузок промышленного предприятия, от схем и групп соединения обмошк силовых трансформаторов на различных ступенях СЭС; методика прогнозирования пофаэного распределения, час-готы, длительности и глубины провалов напряжения в электрических ссчях до КИЮ В сисюмы электроснабжения, метлика оценки способов и средств для уменьшения последствий провалов напряжения, основанная на сопоставлении дополнительных затрат на систему электроснабжения и электрооборудование и ущерба, обусловленного провалами напряжения.

Методы исследования определялись каждой из поставленных задач. Использовались положения математической статистики, системного анализа, методы математического моделирования, теории электрических сетей. Программное обеспечение выполнено на алгоритмическом языке ФОРТРАН применительно к IBM PC.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов обеспечивается соответствием принятых допущений задачам и целям исследований; применением апробированных методов математического моделирования систем промышленного электроснабжения; удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований и соответствие их статистическим данным; опытом нормирования провалов напряжения в документах МЭК.

Научная новизна положений, работы может быть сформулирована следующими положениями:

1. Разработана математическая модель для отображения возникновения, развития и проникновения на различные уровни произвольной системы электроснабжения провалов напряжения, реализованная в виде системы алгоритмов и программ для расчетио-экспериментальных исследований;

2. Выявленные закономерности проникновения провалог- напряжения на различные уровни системы электроснабжения в зависимости от удаленности места и вида короткого замыкания, от состава электрических нагрузок промышленного предприятия, от схемы и групп соединений обмоток силовых трансформаторов;

3 Разработана методика прогнозирования частоты, длительности, глубины и пофазного распределения провалов напряжения « системах электроснабжения с напряжением до 1000 В, оборудование и потребители электроэнергии в которых наиболее чувствительны к провалам напряжения.

Практическая значимость работы.

1. Концепция и технические требования к приборам для измерения и ре-гис грации провалов напряжения принятые к реализации. Соответствующие акгы внедрения представлены в приложении к диссертации;

2. Система программ ТК2 может быть рекомендована для автоматизированных расчетно-экспериментальных исследований провалов напряжения в любых системах электроснабжения;

3. Методика прогнозирования провалов напряжения с использованием закономерностей их проникновения и поведения на различных уровнях системы члсктроснабжсния позволяет оценить вероятность их возникновения, длительность, глубину и пофазнос распределение в реальных системах электроснабжения;

ь

4. Методика оценки последствий от провалов напряжения позволяет оценить эффективность способов и средств для уменьшения этих последствий;

5. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе в УИР, дипломном проектировании, магистерских работах.

Апробация работы.

Основные результаты и положения работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических семинарах, совещаниях и конференциях: "Электросбережение, электроснабжение, электрооборудование" 20-22 ноября 1996 г. в г. Новомосковске, 9 сессии семинара Академии наук России "Кибернетика электрических систем" г. Новочеркасск и на научно-практической конференции, посвященной 30-летнему юбилею ИПК госслужбы 25-26 марта 1998 г. в г. Москве.

Полностью работа докладывалась на кафедре электроснабжения промышленных предприятий МЭИ в апреле 1998 года.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 печатные работы.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем 180 страниц машинописного текста, 69 рисунков и 24 таблиц. Список литературы включает 65 наименований, в приложении приведены отчеты по эксперименту, разработанное техническое задание и акт внедрения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования, дана общая характеристика работы.

В первой главе проанализировано современное состояние прогнозирования появление провалов напряжения на шинах питания потребителей Прогнозирование появления провалов напряжения позволяет определять стратегию борьбы с ним явлением и выбирать соответствующие средства защиты от них. Конкретизированы результаты исследований провалов напряжении в странах L-C и России.

Проведен обзор результатов исследования прова лов напряжения. Отмечено, что наиболее представительными являются статистические данные по провалам напряжения, собранные в странах НС с 1987 года в рамках комплексной программы исследования провалов напряжения в системах электроснабжения. Измерения производились на 85 системах электроснабжения при общем сроке измерения в размере 81 измерительного года. Электрические сети на которых производилось исследование в 33 СЭС являлись чисто кабельными, в 52 СЭС - смешанными воздушно-кабельными (с головным участком, выполненным воздушной ЛЭП).

Максимум количества провалов напряжения приходится на летние и осенние месяцы, что свидетельствует о возрастании числа КЗ вызванных атмосферными воздействиями на воздушные участки ЛЭП СЭС. Число провалов напряжения, пропорционально времени измерения, для СЭС со смешанными (воздушно-кабельными) электрическими сетями в два и более раз больше, чем для СЭС с чисто кабельными сетями.

Статистические данные по провалам напряжения в Российских СЭС, собранные по регионам России при подготовке новой редакции ГОСТа на качество электроэнергии (1997 г.), существенно отличаются от данных стран ЕС, в частности распределение провалов напряжения по длительности и глубине сдвинуты в область больших значений параметров. Приведены вероятные причины этого расхождения.

В процессе работы над диссертацией, проведен ряд дополнительных экспериментальных исследований провалов напряжения. Измерения производились на пяти независимых участках системы электроснабжения общей длительностью свыше четырех месяцев. Зарегистрировано в общей сложности 11 провалов напряжения глубина и длительность которых в целом соответствует статистике стран ЕС.

В заключении главы раскрыты цели и задачи исследования

Вторая глава посвящена разработке математической модели для исследования провалов напряжения в сети до 1000 В, вызванных короткими замыканиями в сетях высокого и среднего напряжений, проведению эксперимента на разработанной модели и обобщению полученных результатов.

Для проведения экспериментов по исследованию проникновения провалов напряжения вызванных любыми видами коротких замыканий в системах электроснабжения произвольной структуры из сетей высокого и среднего напряжений в сеть до 1000 В разработано алгоритмическое и программное обеспечение на базе языка Фортран. В процессе проведения

экспериментов на магматической модели и шшли'ш резузи.ишж кыишшнп. что основными факторами, влияющими на шубипу прон.июв напряжении в системах электроснабжения являются: вид короткого замыкания; удаленность КЗ от центра питания; структура электрических нагрузок потребителя. Отмечено, что преобладание электрических двигателей в суммарной нагрузке способствует уменьшению провалов напряжения на 20-40%. Это объясняется тем, что в течении провала напряжения электрические двигатели за счет электромагнитной и механической инерции являются источниками ЭДС, которые и вызывают уменьшение глубины провалов напряжения.

Исследованы зависимости глубины провалов напряжений возникающих в сети 0,4 кВ от удаленности различных видов коротких замыканий. Для исследования была выбрана типовая схема электроснабжения промышленного предприятия (рис 1), питающегося от шин подстанций электрической системы по воздушной линии ЛЭП-110 кВ. Для моделирования удаленности КЗ в сети 110 кВ от шин присоединения СЭС служит отходящая от подстанции электрической системы воздушная линия ЛЭП-110 кВ. Точки К2,КЗ,К4 и К5 удалены от места присоединения СЭС к электрической системе соответственно на 0, 10, 25, 50 км. На ГПП установлены два трансформатора ТРДН-25000/110/11 (ввиду симметрии на рис. 1 представлена часть СЭС, питающаяся от одного трансформатора). Внутризаводская СЭС представлена: высоковольтной синхронной электродвигательной нагрузкой (моделируется эквивалентным электродвигателем СД1); высоковольтной асинхронной двигательной нагрузкой ( моделируется эквивалентным асинхронным двигателем АД1); высоковольтной прочей нагрузкой Бпр, учитывающей по статическим характеристикам активной и реактивной мощностям от напряжения на шинах 10 кВ ГПП; эквивалентной трансформаторной подстанции (ЭТП) 10/0.4 кВ, моделирующей низковольтную нагрузку СЭС (эквивалентный асинхронный двигатель АД2 и прочая нагрузка), отходящей от шин ГПП кабельной линии ЛЭП-10 кВ для моделирования удаленности КЗ в сети 10 кВ (точки Кб, К7 и К8 удалены от шин ГПП соответственно на 0, 1,2 км), выделенной цеховой трансформаторной подстанции (ЦТП) 10/0.4 кВ, в сети которой исследуются провалы напряжения. В сети ЦТП отражены близкорасположенные к шинам синхронная (СД2), асинхронная (АДЗ) и прочая нагрузка и питающаяся от удаленного распределительного щита РЩ-380 асинхронная и прочая нагрузка

Рис 1 Расчетная схема элсю-роснабжения.

Электрическая нагрузка выделенной 1IIII при исследовании оставалась постоянной. Исследования производились при различных видах вариантов нагрузки (а - преобладающая высоковольтная синхронная нагрузка; б - преобладающая высоковольтная асинхронная нагрузка; в - преобладающая прочая высоковольтная нагрузка; г - преобладающая низковольтная асинхронная нагрузка).

В результате обработки результатов исследований на математической модели сделаны следующие выводы приведенные ниже.

Трехфазные К') в ОС вызываю) провалы напряжении наибольшей ыубипы но всех фех фазах При фехфашом КЧ вблизи шин 110 кВ ппд-оамций электрической сисюмы, к ко юрой подключена СЭС анализируемого предприятия, глубина провалов напряжения в сетях до 1000 В даже в наиболее благоприятном случае преобладания синхронной электродвига-1слыюй нтружн сосывш снышс -Н^иЦ,,,,,. В зшшсимосш 01 сфумуры электрических нагрузок, предельная удаленность трехфазного КЗ от нен-|ра шианин в сеги I К) кВ при ко юрой 1луГ)ина ировшюи напряжения в сс-1И до ЮОО В не превысит 20% 01 и„„м, инманляст »1 К) до 45 км. Предельная удаленность трехфазного КЗ от центра питания в сеги 6-10 кВ, при которой глубина провалов напряжения в сети до 1000 В не превышает 20% от и„„ч, в зависимости от структуры электрических нагрузок, составляет от 1,3 до 1,8 км. Это означает, что практически все трехфазные КЗ в сети 6-10 кВ анализируемой СЭС, являются причинами возникновения опасных провалов напряжения.

Трехфазные КЗ в сети 6-10 кВ соседней подстанции (110/6-10 кВ) или в сети до 1000В соседней цеховой ТП (6-10/0,4 кВ) опасных провалов напряжения в сетях до 1000 В анализируемой СЭС не вызывают.

Распределение фазных и линейных напряжений в сети до 1000 В по глубинам провалов напряжений при любом виде несимметричного КЗ в сети высокого (110 кВ) и среднего (6-10 кВ) напряжений подчиняется единым закономерностям. Одно из этих напряжений будет характеризоваться провалом напряжения максимальной глубины. Уровень остаточного напряжения при провале в этом случае равен разнице напряжений прямой Ц, и обратной ио последовательности в анализируемой сети до 1000 В при данном несимметричном КЗ. (Ц^тт "Ц, - Ц,).

Два из этих напряжений будут иметь провалы напряжения с несколько меньшей глубиной, чем в предыдущем случае (остаточное напряжение при провале и . = ,/и2+и2--и * и ).

гал V п о п о

Одно из этих напряжений будет характеризоваться провалом напряжения с минимальной глубиной. Уровень остаточного напряжения при провале в этом случае, будет равен суммам напряжений прямой и обрат ной последовательностей (U,bsmax=Un + U0).

Два из оставшихся напряжений, будут иметь провалы напряжения с несколько большей глубиной, чем в предыдущем случае

Распределение фазных и линейных напряжений в сети до 1000 В по остаточному напряжению при провале, вызванным любым из несимметричных КЗ может быть одним из двух возможных:

а) либо одно из фазных напряжений имеет остаточный уровень при провалах Uabsmm, тогда два других фазных напряжения имеют остаточный уровень Umax. Соответствующие линейные напряжения имеют в этом случае остаточное напряжение для одного из напряжений иаытах. а для двух других - 1),пш.

б) либо одно из фазных напряжений имеет остаточный уровень Uabsmax, тогда два других фазных напряжения имеют остаточный уровень Um¡„. Соответствующие линейные напряжения имеют в этом случае остаточное напряжение для одного из напряжений U„i,s т,„, а для двух других - Uma„. Поскольку потребители электрической энергии, чувствительные к провалам напряжения с равной вероятностью могут оказаться подключенными к любому из фазных или линейных напряжений сети до 1000 В, то при несимметричном КЗ они с равной вероятностью подвергаются провалам напряжения С ОДНИМ ИЗ ОСТаТОЧНЫХ урОВИей (lJM|„mm, Umm, Um..x, l'ahunax)

Изменение схемы и группы соединений обмоток трансформаторов цеховых TI1 с Y/YH на D/YH 11 приводит лишь к изменению распределения чередования уровней остаточного напряжения по фазным и линейным напряжениям при несимметричном КЗ, но не отражается на величинах всех остаточных напряжений (U„t,s ,mn, U,ran, Umux, иаь»„т)-

В процессе обобщения полученных результатов, получены распределения глубины провалов напряжения в зависимости от удаленности места любого вида несимметричного КЗ от центра питания (табл. I), которые могут быть использованы при прогнозировании провалов напряжения.

Третья глава посвящена вопросам прогнозирования появления провалов напряжения в сети 0,4 кВ, вызванных провалами напряжения в сетях высокого и среднего напряжений. Основу для прогнозирования параметров провалов напряжения составляет устойчивость их распределений на

Таблица 1.

Время

КЗ сек.

Варианты нагрузки

Вид КЗ

Предельная удаленность несимметричного КЗ в сети 110 кВ, при котором глубина провала напряжения в сети до 1000 В не менее Ли=0,4и„ом. км

иаЬ$ тш

1)|ГНП

Ушах УаЬв шах

0,0

А

К(1) К(2)

МШ

0,0

1.4

1.5

0,0 0,0 0,0

К(1) К(2)

ЕЫ1

0.0 1,3

1,5

0,0 0,0 0,0

К(1) К(2)

мш

0,0 8.5 8,5

0,0 2,0 5,0

К(1) К(2) К(Ц)

0.0 4,5 4,5

0,0 0,0 2,0

0.0 0,0 0,0

0.0 0,0 0,0

0,0 0,0 0,0

0,0 0,0 0,0

0.0 0,0 0,0

0,0 0,0 0,0

0,0 0,0 0,0

0,0 0,0 0,0

0,15

0.3

К(1) К(2) К(1,1)

0,0 4,5 6.0

0,0 1,0 4,0

К(1) К(2) К(1,1)

2,0 6,0 7,0

0.0 4,0 5,0

КО) К(2)

КО) К(2)

Ш

КО) К(2)

KJJ.il

9,0 11.0 11,5 "5.0 7.0

2Л " о.о"

5,0 7.0

0.0 5.0 7,0

0,0 2,5 4.0

0,0 2,5 5,0

КО) К<2) М1,1.) КО) К(2)

ЖШ

7.0 7.5 8,0 10,0 12,0 12,0

0.0 5,0 6,0 0,0 5,0 7.0

КО) К(2)

жш

7,5 8.5 10,0

0,0 2.5 7,5

0,0 0,0 0,0

0.0 0,0 2,0

0.0 0.0

(И) 0.0 0,5

0,0 0,0 3,0

0.0 0,0 1,5 0.0 0,0 2.5

0.0 0,0 3,5

0,0 0,0 0.0

0,0 0,0 0,5

0,0 0,0 0.0

0,0 0,0 0,0

0.0 0.0 1.0

0.0 (1,(1 2,5 0,0 0,0 1.0

0.0 0.0 2,5

Б

в

г

А

Б

»

А

достаточно длительном интервале времени их оценки. В связи с этим для прогнозирования провалов напряжения может быть использован экспериментальный метод, позволяющий получить полную картину распределений провалов напряжений по результатам измерений в течение года.

Экспериментальный метод дает наиболее надежные и достоверные данные, но требуем существенных материальных затрат и длительных измерений непосредственно на объектах.

Для прогнозирования провалов напряжения может быть использован также и расчетно-теоретический метод требующий существенно меньших затрат материальных ресурсов и времени, в частности общая частость появления провалов напряжения в СЭС может быть определена по выражению (1).

пр.к

¡к jk пк

где: со* параметр потока КЗ к-ого вида в ьом элементе СЭС; Ь пр.к. - предельная удаленность КЗ к-ого вида в СЭС высокого напряжения; 1пр.к -предельная удаленность КЗ к-го вида в СЭС среднего напряжения.

Прогнозирование провалов напряжения должно выполняться по частости их возникновения, по их глубине и длительности. Поскольку провалы напряжения в основном являются несимметричными, необходимо прогнозировать их распределение по фазам.

В главе выбраны и обоснованы допущения, принимаемые при рас-четно-теоретическом прогнозировании распределения провалов напряжения в любом из выделенных узлов нагрузки СЭС. Разработана методика определения общей частости появления провалов напряжения на шинах ВУН с глубиной не менее Лим™ и разработана методика определения трехмерного распределения провалов напряжения на шинах ВУН по глубине, длительности и частости их появления. Методика основана на многократных расчетах при использовании комплекса программ ТК2, при вариации места возникновения и вида КЗ в электрических сетях высокого и среднего напряжения СЭС.

В четвертой главе проанализированы известные на сегодняшний день средства и методы защиты от провалов напряжения.

По результатам анализа доступных данных и литературных источников произведено обобщение средств и способов устранения или существенного

уменьшения последствий от провалов напряжения. Это можно достичь путем согласованного применения следующих апробированных способов и средств решения проблемы: использование устройств, агрегатов, источников бесперебойного питания потребителей, особо чувствительных к провалам напряжения; нормированием и повышением устойчивости к провалам напряжения самих потребителей электроэнергии, достигаемое на стадии их разработки путем использования встроенных блоков и источников питания; снижение длительности провалов напряжения, обусловленных короткими замыканиями вСЭС.

При наличии двух и более независимых источников в самой СЭС для питания потребителей, чувствительных к провалам напряжения, экономически оправдано использование устройства бесперебойного питания, разработанного в АО "ВНИПИ Тяжпромэлектропроект". УБП позволяет обеспечить безразрывную форму графика мгновенных значений напряжения у потребителей, выполняется в однофазном исполнении для мощности нагрузки 630-2200 ВА и в трехфазном исполнении до 25 кВА (рис 2).

Рис. 2 1>лок-ехсма устройства бесперебойною переключения.

При установленной мощности защищаемой нагрузки, превышающей 20 кВА, целесообразно использовать АБП на базе электромеханических преобразователей, обладающих следующими преимуществами:

> неизменный безразрывный график мгновенных значений напряжения шпруэки при коротких шмыкпниях о системе элскфосппбжспия от рабочего источника;

> ус тройства вторичного питания через механический вал разделены с сетью системы электроснабжения, что обеспечивает дополнительную защиту от неполадок в питающей сети и от утечки обрабатываемой информации;

У высокая точность стабилизации напряжения за счет автоматического регулирования возбуждения при статических и динамических изменениях нагрузки;

> запас кинетической энергии вращающихся агрегатов обеспечивает бесперебойное питание нагрузки при кратковременном (до 1 с.) одновременном перерыве питания двух источников.

При наличии только одного источника электроснабжения для питания особо ответственных и чувствительных к провалам напряжения потребителей экономически целесообразно использовать ИБП на базе аккумуляторных батарей следующих типов (рис. 3).

У ИБП оф-лайновые с резервной батареей наиболее экономически выгодны, но не обеспечивают достаточно высокими параметрами стабилизации напряжения в нормальном режиме и обладают временем переключения на батареи до 4 мс;

> ИБП интерактивно-линейные, несколько более дорогие, чем оф-лайновые, но обеспечивают стабилизацию выходного напряжения. Они также имеют время переключения на батареи около 4 мс;

> ИБП он-лайновые, с активной батареей. Это наиболее дорогой класс ИБП, но это наиболее современное решение, позволяющее полностью защитить нагрузку от всех существующих неполадок питания.

Для питания постоянных нагрузок малой мощности (контролеров, устройств РЗиА) привлекательны ИБП на базе феррорезонансных трансформаторов, обеспечивающих защиту при провалах напряжения до 20%.

Для оборудования, чувствительного к провалам напряжения, необходимо нормирование устойчивости по отношению к этому показателю качества электроэнергии. Примером этого могут служить стандарты, определяющие область допустимых провалов напряжения при питании компьютеров, разработанные СВЕМА (рис. 4). Устойчивость электрооборудова -

ОК-ШК^к^шмв.й» режим р^имы

1.1ТЧТ-ТМПШ'ПУК «Низальный» ротм рабшы

0(4-1 Л\Р. «Нормян>м>й» репм работы

Рис. 3 Блок-схемы различных источников бесперебойного питания.

ния к провалам напряжения должна быть одним из параметров, определяющих качество этого оборудования.

Путем целенаправленного воздействия на систему электроснабжения, а именно использование современных выключателей и новейших средств РзиА можно существенно (в 2-3 раза) сократить длительность провалов напряжения, обусловленных КЗ в электрических сетях высокого и среднего напряжений.

Время в циклах 60Гц Рис. 4 Пример кривой СВЕМА.

В приложении приведены результаты эксперимента, разработанное техническое задание на прибор для регистрации провалов напряжения в СЭС и акт внедрения результатов работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

Теоретические и экспериментальные исследования, выполненные в настоящей работе, позволяют сделать следующие основные выводы. 1. В Российской Федерации отсутствует достоверная и значимая статистика по распределениям параметров провалов напряжения в электрических сетях до 1000 В различных типов. В связи с этим имеется необходимость в общегосударственной научно-технической программе комплексного исследования провалов напряжения, включающую в себя

разработку и изготовление специализированных приборов для измерения провалов напряжения и контроль за провалами напряжения в сотнях точек различных сетей и потребителей с длительностью цикла измерения не менее г ода в каждой контрольной точке.

2. Разработано техническое задание на специализированный прибор для измерений и регистрации провалов напряжения в СЭС. Основные характеристики прибора, переносной; с непрерывной длительностью измерений и регистрации в течение года и более; независимое от сети питание; одновременное измерение в трех фазах; регулируемый порог чувствительности, от 0,1 и,„,м, погрешностью измерения не более 5% и стоимостью в пределах 500$.

3. Разработано алгоритмическое и ир01 раммнос обеспечение для расче1-но-экспериментальных исследований пропало» напряжения, вызванных любыми видами коротких замыканий в системе >лекфоснабжеиня произвольной структуры и копфш урации.

4. Основными факторами, влияющими на глубину провалов напряжения в С'ЗС, являются: вид корот кою замыкания; удаленность места КЗ о г цстра питания, структура »лсмрпчсских нагрузок предприятия Преобладание электрических двигателей в суммарной нагрузке (что как правило имеет место в СЭС промышленных предприятий) способствует уменьшению глубины пропало» напряжении м среднем не 20—10 "<>

5. В зависимости от структуры злскгрических нагрузок и типа КЗ предельная удаленность короткого замыкания в сети НО кВ, при котором глубина провалов напряжения будет больше 20% ином составляет от 10 км до 45 км, а при КЗ в сети 6-10 кВ от 1,3 км до 1,8 км.

6. Распределение фазных и линейных напряжений по глубинам провалов напряжения в сети до 1000 В при любом виде несимметричного КЗ в сети высокого и среднего напряжений СЭС подчиняется единым закономерностям, а именно распределение по глубине провалов напряжения происходит по четырем группам, глубина провала в каждой из которых однозначно определяется напряжением прямой и„ и обратной Ц, последовательностей в сети до 1000 В при несимметричном КЗ.

7. Определены предельные удаленности мест КЗ от центра питания в сетях высокого и среднего напряжений СЭС для любого вида КЗ при которых глубина провалов напряжения в сетях до 1000 В составляет не менее Д ит,„. Это расстояние определяет область пространства СЭС в пределах которой короткие замыкания приводят к провалам напряжения в сетях до 1000 В с глубиной не менее Л II,„¡п.

8. Разработана методика прогнозирования общей частости появления провалов напряжения в сетях до 1000 В с глубиной не менее A Umm и методика прогнозирования трехмерного распределения провалов напряжения в сетях до 1000 В по глубине, длительности и частости их возникновения. Методы базируются на устойчивости параметров потока КЗ различных видов у однотипных групп элементов СЭС.

9. Устранение или существенное уменьшение последствий провалов напряжения можно достигнуть путем согласованного применения следующих апробированных способов и средств решения проблемы:

> Использование устройств й агрегатов бесперебойного питания потребителей, особо чувствительных к провалам напряжения;

> Нормирование и повышение устойчивости к провалам напряжения самих потребителей электрической энергии достигаемое на стадии их разработки путем использования встроенных блоков и источников питания;

> Воздействие на СЭС с целью снижения длительности провалов напряжения, обусловленных короткими замыканиями.

>

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Гамазин С. И., Цырук С. А., Наумов О. А., Рисберг Ю. Р. Исследование провалов напряжения в электрических сетях до 1000 В, вызванных короткими замыканиями в сетях высокого напряжения. // Промышленная энергетика. - 1995 -№ 11 - с 12-20.

2. Наумов О. А. Провалы напряжения в электрических сетях до 1000 В систем электроснабжения.// Электросбережение, электроснабжение, электрооборудование: Тез. докл. научно-технической и методической конференции - Новомосковск.Тульский, 1996 г. - С. 67.

3. Гамазин С. И., Наумов О. А. Повышение надежности функционирования элекгрооборудования при провалах напряжения п системах электроснабжения.// Развитие государственной службы и электроэнергетики России. Тез. докл. научно-практической конференции. Москва. 1998. -С. 25.

Печ. л. /25_Тираж {QQ Заказ .3 В%

Типография МЭИ. Красноказарменная. 13,

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

НАУМОВ Олег Анатольевич

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ПРИ ПРОВАЛАХ НАПРЯЖЕНИЯ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Специальность 05.09.03 - электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

А

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидат технических наук

Научный руководитель д. т. н. проф. Гамазин С. И.

Москва - 1998

Содержание.

СТР

1. Введение. 4

В Л Обзор научно-технической литературы по вопросам 7 возникновения провалов напряжения и их влияние на различные виды электрооборудования.

В.2 Выбор, общая характеристика и обоснование темы 21 диссертационной работы.

Глава-1. Экспериментальные исследования провалов 26 напряжения в системах электроснабжения.

1.1 Опыт и статистические данные отечественных и 26 зарубежных исследований по вопросам провалов

напряжения;

1.2 Дополнительные экспериментальные исследования 55 провалов напряжения в системах электроснабжения до 1000 В;

1.3 Разработка технических требований к приборам для 58 измерений и регистрации провалов напряжения;

1.4 Выводы из главы 1. 60

Глава-2. Математическое моделирование провалов 62 напряжения.

2.1 Моделирование режимов симметричных и 62 несимметричных коротких замыканий в системах электроснабжения;

2.2 Выбор и обоснование расчетной схемы системы 64 электроснабжения для исследования провалов напряжения;

2.3 Расчетно-экспериментальные исследования провалов 67 напряжения в сетях до 1000 В, вызванных короткими замыканиями в сетях высокого и среднего напряжений.

2.3.1 Трехфазное КЗ. 68

2.3.2 Междуфазные КЗ. 70

2.3.3 Однофазные КЗ в сети 110 кВ. 90

2.3.4 Двухфазное КЗ на землю. 96

2.4 Выводы по главе 2. 115

Глава 3. Подходы к прогнозированию провалов 117

напряжения в системах электроснабжения.

3.1 Общая формулировка задачи расчетно-теоретического 117

прогнозирования провалов напряжения.

3.2 Прогнозирование частости появления провалов 119 напряжения.

3.2.1 Составление расчетной схемы замещения СЭС. 119

3.2.2 Определение предельной удаленности короткого 120

замыкания.

3.2.3. Определение частости появления коротких замыканий 121 в СЭС.

3.2.4. Пример определения частости появления провалов 122 напряжения в СЭС.

3.3 Прогнозирование распределений глубины и длительности 125 провалов напряжения.

3.4 Выводы по главе 3. 127

Глава 4. Методы снижения влияния провалов напряжения на

128

электрическое и электронное оборудование

4.1 Общие положения. 128

4.2 Типы агрегатов бесперебойного питания (АБП) и 131 источников бесперебойного питания (ИБП), а также область

их применения.

4.2.1 Статические устройства бесперебойного переключения. 131

4.2.2 АБП на базе электромеханических преобразователей. 139

4.2.3 ИБП на базе аккумуляторных батарей. 139

4.2.4 ИБП на базе феррорезонансных трансформаторов. 147

4.2.5 ИБП на базе сверхпроводящих магнитов. 149

4.3 Повышение устойчивости электрического и электронного 151 оборудования к провалам напряжения.

4.5 Способы снижения длительности провалов напряжения в 155 СЭС.

4.6 Выводы по главе 4. 158 Заключение 161 Список литературы 164 Приложение 169

Введение

Электромагнитные помехи являются одной из наиболее частых причин некачественного функционирования технических средств различных систем управления.

Источник помех, вызывающий нарушения функционирования, может находиться вне данного оборудования и в этом плане он называется внешним, или расположен внутри рассматриваемого оборудования - тогда он называется внутренним.

В зависимости от типа источника методы борьбы с помехами разные. С внешними источниками основной метод борьбы - организационно-нормативный, который заключается в разработке норм на допустимую эмиссию помех, а также в создании определенного порядка согласования при установке нового оборудования в каком-либо пространстве. По отношению же к внутренним помехам основной метод борьбы - правильное проектирование и конструирование технических средств с учетом параметров электромагнитной совместимости.

Основные пути проникновения помех в оборудование на промышленных предприятиях это сеть первичного электропитания, система заземления, системы информационных линий передачи и приема информации между отдельными терминалами или электромагнитное поле в окружающем аппаратуру пространстве.

Первые три группы представляют собой кондуктивную среду для распространения помех и поэтому их называют кондуктивными. Учитывая важность фактора помех и необходимость регулирования отношений между разработчиками и потребителями электронной техники, вводятся нормативные требования на параметры электромагнитной совместимости технических средств. Их смысл заключается в том, чтобы с одной стороны, установить требования к параметрам помех в условиях предполагаемой эксплуатации технических средств, с другой стороны - установить требования к минимапь-

ной помехоустойчивости технических средств в заданных условиях эксплуатации.

Последними нормативными документами [10] условия эксплуатации технических средств делятся на три группы - промышленные условия, условия эксплуатации в офисных и жилых помещениях и условия эксплуатации на подстанциях и предприятиях по производству электроэнергии. Для каждой группы устанавливаются виды и предельно допустимые уровни помех, которые могут иметь место в условиях эксплуатации. Численные значения норм и требований в настоящее время обсуждаются в подкомитетах Международной электротехнической комиссии (МЭК) а также в органах по нормированию и стандартизации Европейского сообщества (СЕНЕЛЕК) [4].

Следует отметить, что очень часто у потребителей существует мнение, что задача обеспечения электромагнитной совместимости (нормального функционирования в условиях помех) лежит только на разработчике аппаратуры. Это в корне неверное мнение, поскольку возможности разработчика не безграничны и определяются, как способностью техническими средствами обеспечить снижение влияния помех, так и экономическими, организационными и правовыми факторами влияния на ту обстановку, в которой будет установлено оборудование.

Электрическая энергия, как и любой иной вид продукции, характеризуется совокупностью свойств, обусловливающих потребительскую пригодность ее для нормальной работы (с заданной эффективностью и надежностью) электрооборудования потребителей электроэнергии. Перечень свойств, обусловливающих потребительскую пригодность электроэнергии, и показателей, количественно характеризующих эти свойства, а также нормативные требования к значениям показателей установлены в ГОСТ 13109-87 "Электрическая энергия. Требования к качеству электрической энергии в электрических сетях общего назначения". В настоящее время подготовлена новая редакция ГОСТ 13109, в которой установлено 11 показателей, характеризую-

щих 8 свойств электрической энергии, относящихся к ее качеству (табл. 1). В табл. 1 представлены также организации, которые, как правило, являются наиболее вероятными виновниками ухудшения качества электроэнергии.

Таблица 1

Свойства электрической энергии Наименование показателя качества электроэнергии Наиболее вероятные виновники ухудшения качества электроэнергии

1. Отклонение напряжения Установившееся отклонение напряжения Энергоснабжающая организация

2. Колебания напряжения Размах изменения напряжения. Доза фликера Потребитель с резко-переменной нагрузкой.

3. Несинусоидальность напряжения Коэффициент искажения синусоидальности напряжения Потребитель с несимметричной нагрузкой.

4. Несимметрия напряжения Коэффициент несимметрии Потребитель с нелинейной нагрузкой, энергоснабжающая организация.

5. Отклонение частоты Отклонение частоты Энергоснабжающая организация.

6. Провал напряжения Длительность провала, глубина провала Энергоснабжающая организация

7. Импульс напряжения Импульсное напряжение Энергоснабжающая организация

8. Временное перенапряжение Коэффициент временного перенапряжения Энергоснабжающая организация

Из табл. 1 следует, что качество электроэнергии (КЭ) в точке продажи ее потребителю зависит не только от процессов производства электроэнергии, но и от процессов ее транспортировки к месту продажи, а также от процессов ее потребления электроустановками потребителей электроэнергии. В этом состоит специфичность свойств электрической энергии, характеризующих ее качество.

В последние годы в различных областях народного хозяйства увеличилось число предприятий, применяющих технологическое оборудование, вое-

приимчивое к качеству электрической энергии, поставляемой энергоснаб-жающей организацией. Результаты анкетирования в 1993 г. 150 крупных промышленных потребителей в различных регионах России показали, что 30% опрошенных связывают с ухудшением КЭ выход из строя электрооборудования (двигателей, конденсаторных батарей, радиопередатчиков и др.), 28% отмечают снижение производительности механизмов, а 25% приводят данные по снижению качества выпускаемой продукции. При этом 35% опрошенных промышленных потребителей связывают с ухудшением качества поставляемой электрической энергии ошибки и сбои систем автоматического управления технологическими процессами. Ряд потребителей оценил ущерб, нанесенный низким КЭ в денежном эквиваленте от 100 до 500 млн. рублей в ценах начала 1993 года [1].

В.1 Обзор научно-технической литературы по вопросам возникновений провалов напряжения и их влияний на различные виды электрооборудования

Согласно данным, приведенным в статье технического директора АО"Москабельмет" Баранова Б.А. "Проблемы энергоснабжения и энергосбережения на заводе Москабельмет" [1], на предприятии неоднократно наблюдались глубокие кратковременные снижения напряжения (провалы напряжения), приводившие к останову в работе станков эмалевого покрытия и, как следствие, к значительному ущербу.

Ввиду того, что надежность, экономичность и эффективность работы электрооборудования промышленных потребителей, производительность и качество выпускаемой продукции теснейшим образом связано с КЭ, то важнейшее значение приобретают вопросы взаимоотношений энергоснабжаю-щей организации и потребителя по вопросам качества электрической энергии.

По материалам зарубежной научной литературы [6] можно составить представление о неполадках имеющих место в электросети. На рис. I приведена диаграмма, дающая представление о процентном содержании тех или иных событий в электросети, при расчете на 100 событий. В табл. 2 дано краткое определение явлений, возможных причин их возникновения и возможные последствия.

Как видно из рис. 1 около 45% из всех событий в электросети составляют провалы напряжения, поэтому провалы напряжения можно считать одним из основных параметров качества электроэнергии.

Всплески Искажения

2% 5%

Отключения

Проседание и подсадка напряжения

45%

Шум 20%

Высоковольтные выбросы 16%

Рис. 1

Таблица 2

Вид

Форма кривой напряжения

Определение

Возможная причина

Последствия

ДИМ_А

Всплески ния

ТГКжЖ.

Кратковременные повышения напряжения в сети на величину более 110% от номинального значения на время более 1 периода синусоиды (20 мс).

Отключение

энергоемкого

оборудования.

Сброс оперативной памяти. Возникновение ошибок. Выход из строя аппаратуры. Мерцание освещения.

Высоковольтные

выбросы

V

Кратковременные импульсы напряжением до 6000 В и длительностью до 10 мс.

Удары молний, искрение переключателей, статический разряд.

Сброс оперативной памяти. Выход из строя аппаратуры. Обрыв модемной связи.

Провалы

напряжения

Кратковременное снижение напряжения в сети до величины менее 80-85 % от номинального значения на время более 1 периода синусоиды (20 мс).

Включение энергоемкого оборудования. Запуск мощных электродвигателей. Аварии на линии питания.

Сброс оперативной памяти. Возникновение ошибок. Зависание рабочих станций, искажение данных жесткого диска или занесение их не на место, ускоренны и юное оборудования.

.±130

РКялд а

Перерыв

питания

Отсутствие напряжения в электросети в течение времени более 1 мин.

"Й IV«

Неполадки на электростанции, в линиях электропередач. Срабатывание защиты от короткого замыкания.

Потеря файлов, данных. Поломка дисков. Длительные простои оборудования и выход его из строя.__

Короткое замыкание на одном из участков системы электроснабжения часто вызывает падение напряжение в радиусе нескольких десятков километров. Любые неисправности на соседней ветке системы электроснабжения или на близлежащем заводе могут вызвать прерывание технологических циклов и привести к потерям продукции на предприятиях оказавшихся в зане возникновения провалов напряжения.

Рассмотрим данное явление подробнее. Провалы напряжения определяются как кратковременные снижения напряжения системы электроснабжения до уровня 90% или менее от номинального напряжения системы. Провалы могут длиться от одной сотой секунды до более чем секунда. Величина

провала напряжения - обычно находится между значениями восемьдесят (80 %) процентов и девяносто (90 %) процентов от нормального действующего значения напряжения. Провалы напряжения могут быть простыми и комплексными, пример простого провала напряжения приведен на рис. 2 [5]. Кроме того, по длительности провалы напряжения делятся на мгновенные, кратковременные и продолжительные длительность которых может быть менее секунды и может измеряться скорее в миллисекундах, микросекундах наносекундах или пикосекундах, но могут быть длительностью до нескольких минут. По отношению к показателям качества электроэнергии, секунды это длительный промежуток времени, например, источники питания персональных компьютеров могут безопасно функционировать только на миллисе-кундных провалах напряжения, без перегрева и результирующих тепловых эффектов связанных с частыми снижениями напряжения.

и,

120 100 80 60 4Q 20

\ /

-----------\ - 4 - г \ 1 : и

0.05

0.1

0.15 0.2

Брели, сеЕ

0.25 0.3 0.35

Длительность

0.067 Сек.

Min 17.44 Ave 71.29 Max 100.3

75 100 125 150 175 200 Время, сек

Рис. 2

Провал напряжения не просто изменение среднеквадратического значения величины питающего напряжения, а изменение напряжения на дискретном интервале времени. Этот интервал времени важен для определения

приемлемого значения входного напряжения. Рассмотрим элементы провала напряжения принятые в мировой практике для идентификации компонентов провала напряжения [7].

" Компонент провала " - термин принятый для того, чтобы показать комплексность события. Провал напряжения может состоять из мелкого провала, сопровождаемого глубоким провалом, сопровождаемым мелким провалом, на рис. 3 представлен характерный пример провала напряжения состоящего из четырех компонентов: 0 компонент - нормальные условия функционирования системы, напряжение иНоМ; 1 компонент - незначительный провал напряжения, напряжение находится в пределах установленных ГОСТ; 2 компонент- провал напряжения глубиной 0.66 ииом и длительностью 0.16 секунды; 3 компонент- восстановление напряжения до номинального значения.

120 110

100 90 80 70 60

Когатэненх О

/

Компонент 2 /

1

I >

I I

< Компонент

—т Г

1 3 -

Компонент 3

■л-1—I-

н-1-1-1-1-1-1-1-(-

0,0 0,17 0,33 0,5 0,67 0,83 1,0 1,17 1,3 1,5 1,67 1,3 2,0 2,17 Время (сеж.)

Рис. 3.

Величина провала напряжения - минимальное напряжение, замеченное в течение провала напряжения, это минимальное значение может быть сред-неквадратическим значением напряжения линии переменного тока или циф-

ровым значением напряжения линии постоянного тока. Для провала напряжения представленного на рис. 3 это значение равно 0.6бином.

Продолжительность провала напряжения - продолжительность провала. Эта продолжительность отрезка времени, когда напряжение находилось ниже уровня определенного нормами на качество электроэнергии.

В процессе провала напряжения также происходит сдвиг фазы питающего напряжения. Большой процент от 107.834 форм волны провала напряжения, зарегистрированных в национальном отчете корпорации «Электро-тек» США, [7] показал некоторый сдвиг фазы на одном или большое количество фаз в течение провала напряжения, и сдвиг фазы прогрессирует в течение провала см. рис. 4.

Рис. 4

Данные рис. 5 показывают различие между нормальным напряжением фазы (60 Гц) и фактическим напряжением в сети 380 В крупного предприятия. Обращает на себя внимание прогрессирующий сдвиг фазы.

Фазное напряжение в нормальных условиях

!пШШ

V » V 1,У:Н1 $

Л

Однофазный провал напряжения в сети 380 В

Рис. 5

Теперь, когда дано краткое описание явления можно описать причины его возникновения. Основными причинами, вызывающими провалы напряжения в сетях среднего и высокого напряжений, являются аварии на линиях электропередач повлекшие за собой короткие замыкания, быстропеременные высоковольтные нагрузки, подключение энергоемкого оборуд