автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Повышение устойчивости технологических процессов непрерывных производств при кратковременных нарушениях электроснабжения

На правах рукописи

ТИДЖИЕВ МАРАТ ОЛЕГОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НЕПРЕРЫВНЫХ ПРОИЗВОДСТВ ПРИ КРАТКОВРЕМЕННЫХ НАРУШЕНИЯХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2005 г.

Работа выполнена на кафедре электроснабжения промышленных предприяшй Московского энергетического института (Технического университета).

Научный руководитель-

доктор технических наук,

профессор Гамазин Станислав Иванович

Официальные оппоненты-

доктор технических наук, профессор Ершов Михал Сергеевия

кандидат технических наук, Пупин Валерий Михайлович

Ведущее предприятие-

ООО «Электропроект-М»

Защита диссертации состоится 18 ноября 2005 в аудитории М-611 в 13 час 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при Московском энергетическом институте (Техническом университете) по адресу: ул. Красноказарменная, д. 13.

Отзыв на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим присылать по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, 14, Ученый Совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ).

автореферат разослан «_

2005 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.02 кандидат технических наук, доцент

Цырук С. А.

100£~Ч Т&387

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Непрерывностью технологических процессов характеризуются предприятия химической, нефти(газо)химической, металлургической промышленности, транспорта нефти и газа, производства электроэнергии. Такие предприятия имеют преобладающую электродвигательную нагрузку на напряжении 6(10) кВ и относятся к первой категории по надежности электроснабжения. Согласно нормативным документам электроснабжение электроприемников, обеспечивающих непрерывный технологический процесс, осуществляется не менее чем от двух взаимно резервирующих независимых источников питания. Источниками питания предприятия являются вводы на напряжении 110,220 и 35 кВ.

Основная доля возмущающих воздействий приходится на провалы напряжения, вызванные КЗ в системах внутреннего электроснабжения и особенно в сетях энергосистемы, более известные как кратковременные нарушения электроснабжения (КНЭ).

Несмотря на свою кратковременность, они могут вызывать нарушения непрерывных технологических процессов, на восстановление которых расходуются многие часы. При этом возникают убытки вследствие недоотпуска продукции, прямых потерь сырья, частичной или полной порчи технологического оборудования, а в ряде случаев - от возникновения пожаров и взрывов.

В качестве примера можно привести ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат». В 2002 г. там зарегистрировано 87 КЗ в питающих сетях высокого напряжения с успешным срабатыванием релейной защиты, в том числе 22 - на линиях региональной энергосистемы. В 80% случаев была внеплановая остановка как минимум одного цеха. Итоговая недовыработка продукции основного производства комбината в подразделениях только за счет двух крупных аварий в системе электроснабжения составила - 1567 т агломерата, 2824 т чугуна, 3243 т проката.

Анализ схем электроснабжения крупных химических предприятий показывает, что КНЭ, вызывающие остановку всего производства, наблюдаются до 10-11 раз в год.

Переход энергетической отрасли России в сферу рыночных отношении вызывает пересмотр промышленными предприятиями сложившейся структуры централизованного электроснабжения в сторону развития источников электроэнергии, не зависящих от режимов работы энергосистемы и вырабатывающих более дешевую электрическую энергию. В результате этого многие предприятия, располагающие вторичными энергоресурсами, расширяют свою энергетическую базу.

Сооружение новых заводских электростанции и расширение старых приводит к усложнению энергохозяйства предприятия: используется параллельный режим работы генераторов, в системе внутризаводского электроснабжения возникают замкнутые контуры, уппвия сетей,

НАЦИОНАЛЬНАЯ 1 БИБЛИОТЕКА ] »Петер

* оэ к»;

кякшч угш I РОС. НА I БИБ

1 11 I Л.Ж' ф

релейной защиты и автоматики.

Глубокие провалы напряжения в узлах нагрузки 6(10) кВ могут приводить к нарушениям устойчивости технологических процессов, которые проявляются в том, что нарушается динамическая устойчивость электродвигательной нагрузки, и после восстановления электроснабжения система не может выйти на исходный режим работы.

Для того чтобы не происходило излишних отключений необходимо определить границы области динамической устойчивости, расчеты которых традиционно базируются на основе компьютерного моделирования.

Приведенные выше статистические данные по нарушениям технологических процессов непрерывных производств при КНЭ показал и актуальность темы данной диссертационной работы.

Цель диссертационной работы Основной целью диссертационной работы является повышение устойчивости систем электроснабжения предприятий с непрерывным технологическим процессом при кратковременных нарушениях электроснабжения, вызванных внешними КЗ в электрических сетях высокого и среднего напряжений, за счет определения области параметров электротехнической системы, в пределах которой обеспечивается устойчивость электродвигательной нагрузки.

Для достижения поставленной цели последовательно решались следующие задачи:

1. Модернизация комплекса программ для расчета устойчивости электротехнических систем с электродвигательной нагрузкой, содержащих замкнутые контуры.

2. Оценка и ранжирование параметров электротехнической системы, влияющих на критическое время динамической устойчивости.

3. Определение области параметров электротехнической системы, в пределах которой сохраняется динамическая устойчивость, при КНЭ, вызванных трехфазными КЗ.

4. Определение области параметров электротехнической системы, в пределах которой сохраняется динамическая устойчивость, при КНЭ, вызванных несимметричными КЗ.

Объекты и методы исследования. Объектами исследования являются системы электроснабжения промышленного предприятия с главной понизительной подстанцией, питающиеся от подстанции электрической системы. Исследования, проведенные в диссертационной работе, выполнены с использованием теории электрических цепей, численных методов решения систем нелинейных алгебраических и дифференциальных уравнении, теории функции комплексных переменных, теории устойчивости и методов математического моделирования электротехнических систем.

Положения, выносимые на защиту:

1. Комплекс программ для расчетно-экспериментальных исследований устойчивости систем электроснабжения произвольной конфигурации, структуры и состояния, содержащих замкнутые электрически сети, при кратковременных нарушениях электроснабжения произвольного характера в любом месте системы электроснабжения.

2. Классификация и упорядочение по степени влияния на динамическую устойчивость системы электроснабжения параметров электротехнической системы.

3. Результаты теоретических и расчетно-экспериментальных исследований динамической устойчивости системы электроснабжения (СЭС) с электродвигательной нагрузкой.

Научная новизна может быть сформулирована следующим образом:

1. Разработан новый алгоритм расчета режима систем электроснабжения, имеющих в электрических сетях замкнутые контуры и основанный на использовании уравнений узловых напряжений, выраженных через узловые сопротивления относительно узлов нагрузки МС. Все известные методы основаны на использовании узловых сопротивлений относительно общего числа узлов схемы замещения п, число которых в несколько раз больше узлов нагрузки. За счет такого подхода достигается экономия оперативной памяти и времени расчета в размере (пМС)\

2. Определены количественные показатели влияния параметров электротехнической системы на критическое время динамической устойчивости системы электроснабжения.

3. Установлена область параметров электротехнической системы в пределах которой сохраняется устойчивость электродвигательной нагрузки при любых внешних КЗ в электрических сетях высокого и среднего напряжения.

Обоснованность и достоверность

Достоверность результатов исследований подтверждается следующим: корректностью исходных посылок; корректным использованием апробированных математических моделей элементов СЭС; хорошим совпадением результатов расчетно-экспериментальных исследований с данными наблюдений; корректным объяснением результатов расчетно-экспериментальных исследований физикой переходных процессов.

Основные практические результаты:

1. Комплексы программ могут быть рекомендованы для автоматизированных расчетно-экспериментальных исследовании устойчивости в системах промышленного электроснабжения (СПЭ) предприятий с электродвигательной нагрузкой, имеющих замкнутую конфигурацию, при возникновении кратковременных возмущающих воздействий произвольного характера (КЗ, отключения) в любом месте системы электроснабжения

2. Результаты исследований режимов, возникающих в СЭС промышленных предприятий при КНЭ, могут быть использованы для правильной настройки параметров релейной защиты, разработки мероприятий по повышению устойчивости систем электроснабжения при внешних и внутренних возмущающих воздействиях.

3. Результаты полученные в диссертационной работе внедрены на Череповецком ОАО «Аммофос» при решении задачи выбора главной схемы утилизационной ТЭЦ, введенной в эксплуатацию в 2004-2005 г.г. Получен акт внедрения результатов работы.

Апробация работы: Основные результаты диссертационной работы докладывались автором и обсуждались на:

- Десятой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов (1-2 марта Москва, 2004 г.);

- Всероссийской конференции «Информационные технологии в электроэнергетике нефтяной и газовой промышленности», г. Москва 16-17 ноября 2004 г.

- Одиннадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов (1-2 марта Москва, 2005 г.);

- на научно-технических семинарах кафедры электроснабжения промышленных предприятий.

Публикации: по теме диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа из введения, пяти глав, заключения. Общий объем составляет 194 страницы машинописного текста, 79 рисунков, 8 таблиц, список использованной литературы из 81 наименования на 8 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследований, дана общая характеристика работы. Проведен обзор научно-технической литературы по вопросам возникновения кратковременных нарушений электроснабжения и их влияния на различные виды электрооборудования непрерывных технологических процессов. Дана характеристика предприятий с непрерывным технологическим процессом, обоснованы требования потребителей по бесперебойности электроснабжения. Рассмотрены схемы электроснабжения предприятий с непрерывным технологическим процессом.

Приведены статистические данные по провалам напряжения, собранные в странах ЕС и отечественных сетях, относящиеся в основном к крупным городским электрическим сетям. Определено, что основная доля возмущающих воздействий приходится на провалы напряжения, вызванные внешними (не в цепи питания объекта) КЗ, и более известные как кратковременные нарушения электроснабжения.

Длительность возмущения определяется быстродействием систем релейной защиты и в большинстве случаев составляет 0,2-0,5 с.

При КНЭ и глубоком снижении напряжения до (0,4 - 0,5) С/ном возникает возможность нарушения устойчивости системы. Синхронные двигатели переходят в генераторный режим и начинают тормозиться под воздействием приводного механизма и возникающего в двигателе генераторного момента. Угол нагрузки 5 синхронного двигателя вырастает до критического значения, и двигатель выпадает из синхронизма. В случае возникновения таких режимов секции с двигателями должны отключаться защитой минимального напряжения. При этом могут возникнуть излишние отключения узлов нагрузки при неправильном выборе защиты минимального напряжения. На ряде предприятии уставка и время срабатывания защиты минимального напряжения принимаются согласно нормативным документам, значение которых носит априорный характер.

Устойчивость технологического процесса, как правило, определяется не технологическими агрегатами, а устойчивостью двигательной нагрузки. Поэтому необходимо наиболее полно использовать запас динамической устойчивости системы.

Проанализированы схемы электроснабжения промышленных предприятий и схемы подключения собственных электростанций (ЭС). При наличии собственных ЭС в системе электроснабжения появляются замкнутые контуры.

На ряде предприятий встает вопрос о независимости источников электроснабжения, для оценки которой приходится учитывать схемы внешнего электроснабжения, которые имеют замкнутую конфигурацию.

В первой главе рассмотрены основные методы расчета режимов электрических сетей применительно к системам электроснабжения, используемые в существующих программах.

Выбраны математические модели элементов электрической системы и узла промышленной нагрузки, которые используются в дальнейшем при моделировании в расчетах установившихся режимов и переходных процессов в системах электроснабжения предприятий.

Проведена модернизация комплекса программ для расчета электрических сетей с замкнутыми контурами. Сохранена ориентация на использование уравнений узловых напряжений, выраженных через узловые сопротивления относительно узлов нагрузки, в то время как все известные методы основаны на использовании узловых сопротивлений относительно общего числа узлов схемы замещения п. При модернизации комплекса программ разработана программа для автоматического разделения ветвей схемы замещения на ветви дерева и ветви дополнения.

Структурная схема первого иерархического уровня СПЭ представлена на рис.1. Параметры режима СПЭ на этом уровне определяются уравнением узловых напряжений относительно узлов нагрузки:

и-Ес -

О)

На этом уровне система электроснабжения может иметь замкнутые контуры.

Цу

/ад

^ся

и*

1с

Е

Р

Уп,

Рис. 1. Структурная схема первого и второго уровня СПЭ

Узел промышленной комплексной нагрузки отражает секцию распределительного устройства (РУ), к которой подключено произвольное число СД, АД и прочая электрическая нагрузка, учитываемая по статическим характеристикам активной и реактивной мощности в зависимости от напряжения в узле.

Режим второго иерархического уровня определяется следующими уравнениями:

Цвд-Цу-^вдЬ»;

1у=1пр+Мд1д,

(2) (3)

где ивд - матрица напряжений на выводах двигателей; Ъ^д - матрица сопротивлений элементов электрической сети в цепи от узла нагрузки до выводов двигателей; Мд - матрица подключения двигателей к узлам нагрузки; 1д - матрица токов двигателей.

На третьем иерархическом уровне СПЭ параметры режима определяются системой уравнений электромеханических и электромагнитных переходных процессов. СД и АД представлены схемой замещения, содержащей ветвь с комплексным сопротивлением и ЭДС, определяемыми сверхпереходными схемами замещения.

Ввиду того, что в системах электроснабжения промышленных предприятий число замкнутых контуров невелико, признано целесообразным, для расчета матрицы узловых сопротивлений использовать метод наращивания ветвей дополнения. Искомая матрица узловых сопротивлений вычисляется в три этапа.

На первом этапе необходимо определить ветви схемы замещения, относящиеся к дополнению, и узлы промышленной комплексной нагрузки,

соответствующие ветвям дополнения. Разработан алгоритм автоматического разделения ветвей на ветви дерева и ветви дополнения.

На втором этапе происходит расчет матрицы узловых сопротивлений 7/<]) для схемы, соответствующей дереву сети.

На последнем этапе осуществляется пересчет матрицы узловых сопротивлений 2(0) в искомую матрицу узловых сопротивлений полной сети 2. Пересчет выполняется по шагам. На каждом шаге вычислительного процесса к подсети прибавляется только одна ветвь дополнения.

В общем случае, при добавлении к подсети между узлами а и Ъ ветви дополнения (Г) с сопротивлением т^/,, элементы матрицы 7}1'1> пересчитываются в элементы матрицы по формуле:

,2(/-1)_ (/-1) ,2(/-1) (/-1)

После исполнения шагов вычисления равных числу ветвей дополнения матрица будет равна искомой матрице обобщенных параметров полной сети.

Матрица узловых сопротивлении является симметричной относительно главной диагонали. Это позволяет хранить только одну ее половину и представлять ее в виде матрицы строки с количеством элементов, равных

к=(1ЯС+\)Ж/2, (5)

где МС. - число узлов нагрузки.

Для обращения к элементу матрицы необходимо определить индекс

этого элемента, соответствующий его представлению в матрице - строке 2{к) по формуле:

(1 -1 )ЫС-(I -1 >1/2 + у, если г < у; ,,,

(у - 1)ЛГС - (./- 1)у7 2 + г, если г 2

Расчеты режимов осуществляются по методу Гаусса-Зейделя. Условием окончания процесса последовательных приближений является выполнение неравенства:

где и'[] - узловые напряжения на г - ой итерации; - узловые напряжения на

(7-1) - ой итерации; е - требуемая точность.

Ток в ветви дополнения определяется из матрицы узловых напряжений и сопротивления ветви дополнения:

и

—ya ~—yb

■U

-вдоп =

í-ab

(7)

Далее необходимо пересчитать матрицу узловых токов по формулам:

iva ívá^-Lz

•¿ya

íyb~ jLyb'íansm

(8)

и расчитать значения токов в ветвях. Ток в ветвях дерева равен сумме протекающих по ней узловых токов от электрической системы к узлу нагрузки, в путь которых они входят.

Моделирование несимметричных аварийных режимов системы электроснабжения базируется на основе применения теории симметричных составляющих.

Метод расчета режимов СПЭ, основанный на применении матрицы узловых сопротивлении относительно узлов нагрузки, отличается простотой алгоритмизации и наиболее эффективен для определения параметров режима системы в переходном процессе, при многократных расчетах режима на каждом шаге интегрирования.

Вторая глава диссертации посвящена исследованию динамической устойчивости системы электроснабжения при внешних трехфазных КЗ в электрических сетях высокого напряжения. Выбрана расчетная схема системы электроснабжения (рис.2)

Для моделирования внешних КЗ в сети энергосистемы служит отходящая от подстанции электрической системы воздушная линия 110 кВ (точка К;). Для моделирования КЗ в системе внутризаводского электроснабжения предусмотрены кабельные линии, отходящие от распределительных устройств (точка Кг). Схема электроснабжения менялась в зависимости от мощности установленных на 11111 трансформаторов.

Граница динамической устойчивости определяется критическим временем нарушения электроснабжения tKp. Если отключение КЗ происходит за время, меньшее (кр, система электроснабжения сохраняет динамическую устойчивость, если - за время большее (кр, происходит нарушение динамической устойчивости.

На время fKp оказывает влияние существенное число факторов, значения параметров которых и определяет границу области динамической устойчивости.

Выделен список параметров, оказывающих влияние на устойчивость узлов электрической нагрузки: характер промышленной нагрузки, место возникновения КЗ, вид КЗ, удаленность места КЗ от цепи питания, коэффициент загрузки двигателей, электромеханические постоянные времени, коэффициент мощности СД в нормальном режиме, сопротивление электрической системы, ЭДС электрической системы, характеристики механизмов.

11

Сеть 110(220) кВ

Рис.2 Схема системы электроснабжения с грансформаторами ГПП 2х16МВА

Исследовано влияние характера промышленной нагрузки на динамическую устойчивость СЭС. Расчеты проводились для трех вариантов: преобладающей синхронной, асинхронной (двигательной) и прочей (недвигательной) нагрузок. Суммарная мощность преобладающей нагрузки составляет около 80%. Однако во всех вариантах имеется синхронная, асинхронная и прочая нагрузки. Устойчивость системы с синхронными двигателями считается ненарушенной, если сохраняется динамическая устойчивость синхронных двигателей и устойчивость асинхронной нагрузки.

Динамическая устойчивость электродвигательной нагрузки при прочих равных условиях определяется устойчивостью СД. Это объясняется тем, что запас динамической устойчивости у СД меньше, чем у АД, а также зависимостью режима системы возбуждения СД от напряжения питающей сети.

Исследовано влияние электромеханических постоянных времени и коэффициентов загрузки двигателей на динамическую устойчивость СЭС.

Получена зависимость критического времени нарушения электроснабжения гкр от электромеханических постоянных и коэффициентов загрузки двигателей:

для варианта преобладающей СД нагрузки

гкр = 0,2143Кз - 0,49К, + 0,4497, гкр = 0,02 ТУ + 0,09;

для варианта преобладающей АД нагрузки

=0,14291(I -0,42К3 +0,453, 'кр = 0,02437)" + 0,085.

Из приведенных уравнении видно, что коэффициент загрузки двигателей в большей степени влияет на величину /кр, чем электромеханические постоянные. Критическое время нарушения электроснабжения линейно зависит от электромеханических постоянных времени двигателей. Для коэффициентов загрузки эта зависимость имеет полиномиальную зависимость второй степени.

Для исследования влияния удаленности КЗ на критическое время нарушения электроснабжения ?кр были проведены расчеты с изменением следующих факторов: сечении фазных проводов отходящей ЛЭП 110 кВ 5,Лэп==[70;150;240] мм2; коэффициентов загрузки к3=[0,5-0,9]; электромеханических постоянных двигателей 7/=[3-6] с; удаленности места КЗ от шин электрической системы /=[0-11] км.

Значение угла нагрузки СД, при котором сохраняется динамическая устойчивость в момент восстановления электроснабжения равно 5=105 4-160°.

При КЗ, близком к шинами электрической системы, критическое время нарушения электроснабжения больше для варианта преобладающей АД нагрузки Так, при электромеханической постоянной 4,5 с и коэффициенте загрузки двигателей к3=0,7, критическое время нарушения электроснабжения для варианта преобладающей СД нагрузки составляет 0,2 с, для варианта преобладающей АД

нагрузки - 0,23 с. При удалении места КЗ в точку Кь на расстояние равное 8 км, критическое время нарушения электроснабжения составляет 0,49 и 0,6 с соответственно вариантам преобладающей АД и СД нагрузки.

Максимальный наброс активной мощности на трансформатор ГПП мощностью 16 МВА (после провала напряжения при сохранении динамической устойчивости) Ртах=45 МВт, соответствует режиму преобладающей СД нагрузки и коэффициентам загрузки двигателей к3=0,9. Максимальный наброс реактивной мощности на трансформатор ГПП (при сохранении динамической устойчивости) Qmax~ 77 Мвар, соответствует режиму преобладающей СД нагрузки и коэффициентам загрузки двигателей к3=0,5.

Напряжение на шинах ГПП в момент восстановления электроснабжения, при котором сохраняется динамическая устойчивость, £/кр=(0,41+0,57) ¡Уном. Максимальная удаленность трехфазного КЗ от цепи питания объекта, опасная по потере динамической устойчивости, при сечении фазных проводов отходящей линии £=240 мм2, электромеханической постоянной Г/=2,75 с и коэффициенте загрузки к3=0,9 равна 11км. В этом случае критическое время нарушения электроснабжения составляет 0,51 с.

Расчеты, проведенные для схемы электроснабжения с трансформаторами ГПП 2x32 МВА с расщепленной обмоткой, показали совпадение значений критического времени нарушения электроснабжения /кр со значениями, рассчитанными для схемы электроснабжения с трансформаторами ГПП 2x16 МВА, при прочих равных параметрах варьируемых факторов.

При низком коэффициенте мощности уменьшается реактивная мощность, генерируемая СД, и поддерживается более низкий уровень напряжения. Уменьшается время действия автоматической форсировки возбуждения двигателя. Так, при удалении места КЗ в точку К) на расстояние равное 7 км, для электромеханической постоянной 4,5 с и коэффициента загрузки двигателей 0,7, длительность автоматической форсировки возбуждения составляет 0,16 и 0,11 с соответственно режимов работы СД с коэффициентами мощности, равными 0,9 (опережающий) и 1. Критическое время нарушения электроснабжения при низком коэффициенте мощности равно 0,45 с. Нарушение динамической устойчивости при номинальном коэффициенте мощности составляет более 1 с.

В третьей главе исследована динамическая устойчивость системы электроснабжения при внешних трехфазных КЗ в электрических сетях среднего напряжения.

В случае КЗ, близкого к шинам РУ ГПП, СД и АД тормозятся за счет активного сопротивления цепи КЗ, генерируя в сеть преимущественно активную мощность. Устойчивость нагрузки определяется устойчивостью СД, подключенного к РУ более низкого уровня. КЗ в сетях среднего напряжения является более опасным по потере динамической устойчивости, чем внешнее КЗ в сетях высокого напряжения, при прочих равных условиях. Основное отличие заключается в разнице изменения параметров двигателей за время нарушения электроснабжения.

Исследовано влияние электромеханических постоянных времени и коэффициентов загрузки двигателей на динамическую устойчивость СЭС.

Для критического времени нарушения электроснабжения /кр в функции от электромеханической постоянной и коэффициента загрузки двигателей получены следующие зависимости:

для варианта преобладающей СД нагрузки:

¿кр = 0,2143Кз - 0,49К3 + 0,4397;

tK р = 0,0221 Tj + 0,08;

для варианта преобладающей АД нагрузки:

=0,2857Кз -0,6К3 +0,4883; iKp = 0,0243 7)- +0,07.

Сравнивая данные уравнения и зависимости для случая КЗ в сети высокого напряжения, получаем, что критическое время нарушения электроснабжения изменяется одинаково в зависимости от коэффициента загрузки двигателей и электромеханической постоянной времени двигателей.

Для исследования влияния удаленности КЗ на критическое время нарушения электроснабжения ?кр были проведены расчеты с изменением следующих параметров: сечения жил кабельной ЛЭП ЮкВ 5Лэп=[35;120;185] мм2; коэффициентов загрузки к3=[0,5-0,9]; электромеханических постоянных двигателей Г/=[3-6] с; удаленности места КЗ от шин 11111 /=[0-2,5] км.

В отличие от процессов, происходящих при увеличении удаленности КЗ на отходящей ЛЭП 110 кВ, при удалении места КЗ на кабельной линии, генерируемая двигателями активная мощность возрастает, что приводит к уменьшению критического времени нарушения электроснабжения.

При некоторой удаленности места КЗ, мощность, развиваемая СД, оказывается достаточной, чтобы рост угла нагрузки в течение времени КЗ остановился и уменьшился. В этом случае длительность критического времени нарушения электроснабжения значительно увеличивается, изменяясь скачкообразно, при дальнейшем удалении места КЗ. Такое увеличение критического времени нарушения электроснабжения tKp при определенной удаленности КЗ характерно для всех вариантов нагрузок и обуславливается напряжением, при котором перестает функционировать система управления возбуждением СД.

Максимальный наброс активной мощности на трансформатор ГПП мощностью 16 MB А при сохранении динамической устойчивости Ртах~55 МВт, соответствует режиму преобладающей СД нагрузки и коэффициенту загрузки двигателей к3=0,9, при близком к шинам ГПП месту КЗ. Максимальный наброс реактивной мощности на трансформатор 11111 при сохранении динамической устойчивости Qmax=63 Мвар, соответствует режиму преобладающей СД нагрузки и коэффициенту загрузки двигателей к3=0,5.

Напряжение на шинах Hill в момент восстановления электроснабжения, при котором сохраняется динамическая устойчивость, составляет £/кр=(0,44-^0,64) £/ном, что больше, чем при внешнем КЗ в сетях высокого напряжения; за счет этого уменьшается ?кр. Максимальная удаленность трехфазного КЗ от цепи питания объекта, опасная по потере динамической устойчивости при сечении жил кабельной отходящей линии i=185 мм2, электромеханической постоянной 7)=2,75 с и максимальном коэффициенте загрузки к3=0,9, равна 2,2 км. В этом случае критическое время нарушения электроснабжения составляет 0,24 с. Минимальное критическое время нарушения электроснабжения соответствует удаленности места КЗ на 250-1000 м от секции шин Hill и составляет ?кр=0,11 с.

Для схемы электроснабжения с трансформаторами ГПП 2x32 МВА напряжение на второй секции шин в процессе КЗ остается на уровне, не ниже 0,85 UH0M. СД неповрежденной секции шин увеличивают генерируемую реактивную мощность, что значительно увеличивает запас динамической устойчивости для варианта преобладающей СД нагрузки.

Исследовано влияния параметров питающей электрической сети на устойчивость СЭС. При внешнем КЗ в распределительных сетях предприятия длина питающих линии значительно влияет на величину критического времени нарушения электроснабжения при удалении места КЗ. Так, при удалении места КЗ в точку Кг, на расстояние равное 500 м, при электромеханической постоянной 4,5 с и коэффициенте загрузки двигателей 0,7, критическое время нарушения электроснабжения составляет 0,17; 0,22; 0,24 с соответственно для длин питающих линий, равных 5; 10; 30 км. При КЗ, близком к шинами ГПП, длина питающих линии практически не влияет на критическое время нарушения электроснабжения.

Трехфазное КЗ в сетях до 1 кВ не является опасным по потере динамической устойчивости высоковольтной электродвигательной нагрузки.

В четвертой главе исследована динамическая устойчивость системы электроснабжения при внешних несимметричных КЗ.

Если с точки зрения динамической устойчивости системы наиболее тяжелым является трехфазное КЗ, то несимметричные КЗ случаются гораздо чаще и в то же время могут служить причиной нарушения динамической устойчивости системы.

При двухфазном КЗ на землю вблизи шин электрической системы критическое время нарушения электроснабжения составляет iKp=0,25-0,3 с. Величина остаточного напряжения прямой последовательности в месте КЗ не равна нулю и зависит от тока однофазного замыкания на шинах электрической системы. Величина напряжения прямой последовательности в месте КЗ изменяется от 0,32 до 0,45 UH0M.

Уменьшение тока однофазного КЗ на шинах электрической системы в два раза по сравнению током трехфазного КЗ приводит к увеличению остаточного напряжения прямой последовательности на шинах электрической системы на 11 %

ОТ Оном-

Для варианта преобладающей АД нагрузки запас динамической устойчивости меньше, чем при преобладающей СД. Это объясняется тем, что при

преобладающей СД нагрузки остаточное напряжение прямой последовательности при прочих равных условиях больше, чем для варианта преобладающей АД нагрузки. В результате этого система возбуждения СД работает в течение большего времени КЗ.

Величина момента обратной последовательности при двухфазном КЗ на землю в сетях высокого напряжения не превышает 6% от номинального, что незначительно уменьшает запас динамической устойчивости системы из-за несимметрии в месте КЗ. При этом в двигателях протекают токи обратной последовательности величиной до 1,35 от номинального.

При однофазном КЗ в сетях с t/H0M>l 10 kB напряжение прямой последовательности в месте КЗ составляет около 70% £/ном, поэтому двигатели могут устойчиво работать даже при к3=0,7, при этом в двигателях протекает ток обратной последовательности, соизмеримый с номинальным.

При внешнем междуфазном КЗ в сетях с С/ном>110 кВ величина остаточного напряжения не зависит от параметров схемы замещения и равна 0,525 /Уном при £с=1,05 ивш. Остаточное напряжение на выводах двигателей на 15-20% больше. Напряжение, при котором перестает функционировать система возбуждения СД, составляет 0,5 17иом, поэтому при таких КЗ СД выпадают из синхронизма при длительности КЗ более 0,5 с.

При двухфазном КЗ в сетях среднего напряжения остаточное напряжение прямой последовательности в месте КЗ не зависит от параметров схемы замещения прямой и обратной последовательности и составляет величину около 0,5 С/ном. Это напряжение сохраняется на выводах двигателей. Автоматическая форсировка возбуждения СД в этом случае отсутствует, величина момента и тока обратной последовательности увеличивается в несколько раз. В результате возникает область параметров, при которох существует возможность нарушения динамической устойчивости системы при длительности КЗ менее 0,5 с.

Минимальное время, при котором происходит нарушение динамической устойчивости, равно гкр=0,3 с для варианта преобладающей АД нагрузки и гКр=0,4 с для варианта преобладающей СД нагрузки.

При использовании на 11111 трансформаторов с расщепленной обмоткой и КЗ в цепи одной из этих обмоток напряжение на неповрежденной секции шин остается на уровне, не ниже 0,85 U„0M. СД неповрежденной секции шин увеличивают генерируемую реактивную мощность, что значительно увеличивает запас динамической устойчивости для варианта преобладающей СД нагрузки.

В пятой главе рассматриваются итоги работ, выполненных на Череповецком заводе минеральных удобрении ОАО «Аммофос», для обоснования выбора главной схемы утилизационной ТЭЦ, введенной в эксплуатацию в 2004-2005 г.г.

Рост тарифов на электроэнергию потребляемую от ОАО «Вологдаэнерго», привел к увеличению доли энергетических затрат в себестоимости продукции. В этих условиях для предприятия стало экономически целесообразно строительство

ТЭЦ второй очереди. В результате реконструкции производства серной кислоты произошло значительное повышение выработки утилизационного пара.

Электроэнергетическая система предприятия характеризуется большой единичной мощностью отдельных электроприводов (до 3200 кВт) с номинальным напряжением 6 и 10 кВ. Технологический процесс предприятия непрерывный и характеризуется высокой долей потребителей 1 категории.

Поэтому при выборе схемы системы электроснабжения были особенно важны вопросы, связанные с устойчивостью предлагаемых вариантов при различных аварийных ситуациях в системе электроснабжения предприятия.

На первом этапе работы были проанализированы вопросы, связанные с выбором мощности, количества и номинального напряжения генераторов. На основе расчетов установившихся режимов определена мощность генераторов, при которой наиболее эффективно используются вторичные ресурсы технологического процесса. Для возможности маневрирования числа и загрузки генераторов и расширения области использования напряжения 10 кВ было принято единое номинальное напряжение генераторов ТЭЦ-1 и ТЭЦ-2.

После планируемой реконструкции общая установленная мощность генераторов составила РУ=(5Х 12+36=108 МВт при максимальной нагрузке Рм-89 МВт, что позволило выйти на уровень полного самообеспечения электрической энергией производства.

Совпадение расчетных нагрузок и нагрузок, полученных с завода после реконструкции, в пределах точности инженерных расчетов подтвердило адекватность предлагаемых моделей расчета параметров электрической сети с учетом замкнутых контуров.

Для повышения надежности электроснабжения было принято решение оставить связь с электрической системой. Однако, в случае всех подключенных ЛЭГ1 220 кВ возникал переток мощности на подстанции энергосистемы. С целью оптимизации режима работы были проведены дополнительные исследования схем электроснабжения завода, что позволило уменьшить потери электрической энергии и увеличить симметрию выдачи мощности по присоединениям.

Для оценки устойчивости разработанной схемы были проведены расчеты параметров режимов элементов электрической сети при внешних и внутренних возмущениях. Проведена оценка устойчивости коммутационных аппаратов.

Во всех вариантах причиной нарушения устойчивости системы являлось выпадение синхронных двигателей на 6 кВ из синхронизма.

При этом в результате строительства ТЭЦ второй очереди величина остаточного напряжения на секциях шин ГПП-1,2,3 увеличилась на 4,3 - 20,3 %, что значительно повысило запас устойчивость системы. Критическое время нарушения электроснабжения для наиболее тяжелого аварийного режима в энергосистеме увеличилось на 0,17 с и составило 0,48 с.

Основным итогом работы является разработанная схема электроснабжения завода выполненная с учетом оптимального режима работы, максимального использования генерирующих мощностей. Разработаны рекомендации по

настройке релейной защиты. При выполнении расчетов устойчивости использовались методика и критерии, разработанные в диссертационной работе.

Заключение

В целом по диссертационной работе могут быть сделаны следующие выводы.

1. Разработан новый алгоритм расчета режима систем электроснабжения, имеющих в электрических сетях замкнутые контуры, основанный на использовании уравнений узловых напряжений, выраженных через узловые сопротивления относительно узлов нагрузки N0, число которых существенно меньше общего числа узлов схемы замещения п. За счет этого достшаегся экономия времени расчета и оперативной памяти в размере (п/ЫО?. Алгоритм реализован в комплексе программ для расчетно-экспериментальных исследовании систем электроснабжения.

2. Выбраны, обоснованы и ранжированы факторы, оказывающие существенное влияние на динамическую устойчивость электродвигательной нагрузки СЭС по отношению к провалам напряжения, обусловленным внешними КЗ. Основными из них в порядке значимости влияния на критическое время нарушения электроснабжения являются: характер электродвигательной нагрузки; сопротивление питающей электрической системы; удаленность внешнего КЗ от цепи питания; коэффициенты загрузки и электромеханические постоянные времени электродвигательной нагрузки.

3. Динамическая устойчивость электродвигательной нагрузки при прочих равных условиях определяется устойчивостью СД. Критическое время трехфазного КЗ вблизи от цепи питания СД составляет 4Р=0,11-0,22 с. Нарушение динамической устойчивости АД с постоянным моментом сопротивления механизма при тех же условиях происходит за ^=0,76-0,9 с

4. В системах электроснабжения со смешанной электродвигательной нагрузкой при провалах напряжения, вызванных внешними трехфазными КЗ, возможны следующие режимы: а) все СД и АД сохраняют динамическую устойчивость при г,ф=0,14-0,2 с; б) АД сохраняют динамическую устойчивость, а часть СД выпадает из синхронизма (гкр=0,21-0,8 с) (после нескольких проворотов ротора эти СД могут самосинхронизоваться); в) происходит нарушение динамической устойчивости всех СД и АД при 4р>0,8 с.

5. Максимальная удаленность внешнего трехфазного КЗ от цепи питания объекта в электрических сетях высокого напряжения, при которой возможно нарушение динамической устойчивости, составляет /кр=11 км. Критическое время длительности КЗ при изменении удаленности в пределах от 1=0 до 11 км увеличивается от ^=0,14 до 0,51 с.

6. При трехфазных КЗ вблизи шин ГПП с С/ном=6(10) кВ минимальное критическое время КЗ для СД составляет /^,=0,11-0,19 с, что меньше времени при КЗ в питающих сетях при прочих равных условиях. В системах электроснабжения со смешанной электродвигательной нагрузкой при провалах напряжения, вызванных внешними трехфазными КЗ в сетях среднего напряжения, возможны

следующие режимы: а) все СД и АД сохраняют динамическую устойчивость (Лр=0,11 -0,19 с); б) все АД сохраняют динамическую устойчивость, при этом часть СД выпадает из синхронизма за время *кр=0,2-0,27 с. Нарушение динамической устойчивости узлов с СД и АД происходит при /Кр>0,76 с.

7. Максимальная удаленность внешнего трехфазного КЗ в электрических сетях инон=6(Щ кВ от цепи питания объекта, при которой возможно нарушение динамической устойчивости, составляет 2 км. Критическое время длительности КЗ при изменении удаленности от /=0 до 2 км увеличивается от /кр=0,11 до 0,28 с.

8. При двухфазном КЗ на землю вблизи шин электрической системы критическое время нарушения электроснабжения составляет ?кр=0,25-0,3 с, что в 1,5 -1,6 раз больше критического времени при трехфазном КЗ и прочих равных условиях. Максимальная удаленность внешнего двухфазного КЗ на землю от цепи питания объекта в электрической сети с £/ном>110 кВ, при которой возможно нарушение динамической устойчивости, составляет 3,2 км. Критическое время нарушения электроснабжения при изменении удаленности от 1=0 до 3,2 км увеличивается от гкр=0,25 до 0,5 с.

9. Максимальная удаленность внешнего междуфазного КЗ от цепи питания объекта в сетях среднего напряжения, при которой возможно нарушение динамической устойчивости, составляет 700 м, Критическое время нарушения электроснабжения при изменении удаленности КЗ от 1-0 до 700 м увеличивается от /кр=0,3 до 0,51 с.

10. Модернизированный программный комплекс и методическое обеспечение расчетов устойчивости были использованы при решении задачи выбора главной схемы утилизационной ТЭЦ, введенной в эксплуатацию в 2004-2005 г.г. на ОАО «Аммофос». Проведенные работы позволили разработать схему электроснабжения завода, выполненную с учетом оптимального режима работы, максимального использования генерирующих мощностей. Совпадение расчетных нагрузок и полученных с завода после реконструкции, подтвердило адекватность предлагаемых моделей расчета параметров электрической сети с учетом замкнутых контуров.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Тиджиев М.О. Математическое моделирование кратковременных нарушений в системе электроснабжения промышленного предприятия. // Одиннадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: Тез. докл. - М., 2005. - С. 346.

2. Тиджиев М.О. Расчет установившегося режима работы системы электроснабжения промышленного предприятия с замкнутыми контурами //' Десятая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: Тез. докл. - М, 2004. - С. 290.

3. Тиджиев М.О. Повышение устойчивости технологических процессов непрерывных производств при кратковременных нарушениях электроснабжения.

V18 24Z

// Всероссийская научно-техническая конференция «Электропотребление, энергосбережение, электрооборудование». Тез. докл. - Оренбург, 2003. - С.28-29.

4. Гамазин С.И., Тиджиев М.О. Модернизация комплекса программ для расчета режимов в системе электроснабжения с замкнутыми контурами. // Всероссийская конференция «Информационные технологии в электроэнергетике нефтяной и газовой промышленности». Тез. докл. - М., 2004. - С. 55-58.

5. Гамазин С.И., Тиджиев М.О., Васильев Е.И. Целесообразные режимы работы вводов на различных уровнях системы электроснабжения. // Промышленная энергетика. - 2004. -№3. - С. 17 - 24.

РНБ Русский фонд

2006-4 16987

Подписано в печать ¡ji ,it< i \ Зак. ¿-tC Тир. 1С С П.л. ¡Дд Полиграфический центр МЭИ (ТУ) Красноказарменная ул. д.13

Введение.

В.1. Обзор научно-технической литературы по вопросам возникновения кратковременных нарушений электроснабжения и их влияния на электрооборудование предприятий с непрерывным технологическим процессом.

В.2. Характеристика предприятий с непрерывным технологическим процессом, требования потребителей по бесперебойности электроснабжения и анализ схем электроснабжения.

В.З. Выбор и обоснование темы и общая характеристика диссертационной работы.

Глава 1. Разработка методики расчетов режимов в системах электроснабжения, содержащих замкнутые контуры.

1.1. Обзор методов расчета режимов электрических сетей.

1.2. Моделирование системы электроснабжения и её режимов.

1.2.1. Особенности моделирования режима трехфазного КЗ.

1.2.2. Особенности моделирования режима несимметричных КЗ.

1.3. Модернизация комплекса программ для расчета режимов систем электроснабжения, содержащих замкнутые контуры.

1.4.Выводы по главе.

Глава 2. Исследование динамической устойчивости систем электроснабжения при внешних трехфазных КЗ в электрических сетях высокого напряжения.

2.1. Выбор и обоснование расчетной схемы системы электроснабжения для исследования устойчивости непрерывных технологических процессов при кратковременных нарушениях электроснабжения.

2.2. Выбор основных факторов, определяющих границы области динамической устойчивости СЭС.

2.3. Исследование влияния характера промышленной нагрузки на динамическую устойчивость СЭС.

2.4. Исследование влияния электромеханических постоянных времени на динамическую устойчивость СЭС.

2.5. Исследование влияния коэффициентов загрузки двигателей на динамическую устойчивость СЭС.

2.6. Исследование влияния типа приводного механизма на динамическую устойчивость СЭС.

2.7. Исследование влияния удаленности места КЗ на динамическую устойчивость СЭС.

2.8. Исследование влияния параметров питающей сети на динамическую устойчивость СЭС.

2.9. Исследование влияния коэффициента мощности СД на динамическую устойчивость СЭС.

2.10. Выводы по главе.

Глава 3. Исследование динамической устойчивости систем электроснабжения при внешних трехфазных КЗ в электрических сетях среднего напряжения.

3.1. Исследование влияния характера промышленной нагрузки на динамическую устойчивость СЭС.

3.2. Исследование влияния параметров электропривода на динамическую устойчивость СЭС.

3.3. Исследование влияния удаленности места КЗ на динамическую устойчивость СЭС.

3.4. Исследование влияния параметров питающей сети на динамическую устойчивость СЭС.

3.5. Исследование динамической устойчивости систем электроснабжения 128 при КЗ в сетях до 1кВ.

3.6. Выводы по главе.

Глава 4. Исследование динамической устойчивости систем электроснабжения при внешних несимметричных КЗ.

4.1. Исследование динамической устойчивости СЭС при КЗ на землю в сетях высокого напряжения.

4.2. Исследование динамической устойчивости СЭС при междуфазных КЗ.

4.3. Выводы по главе.

Глава 5. Вопросы оптимизации и устойчивости системы электроснабжения ОАО «Аммофос» при расширении заводской электростанции.

5.1. Описание объекта исследования.

5.2. Исследование вариантов электроснабжения ОАО "Аммофос" после планируемой реконструкции.

5.3. Оценка устойчивости принятой системы электроснабжения ОАО "Аммофос" после планируемой реконструкции.

Важной задачей развития электроэнергетики является повышение надежности электроснабжения промышленных предприятий, основными потребителями которых являются электрические двигатели переменного тока. В настоящее время во всех отраслях происходит техническое перевооружение производства, создается новое оборудование, позволяющее получить большую производительность, широко внедряются непрерывные технологические процессы, большее внимание уделяется вопросам экономии энергетических и материальных ресурсов. Все технологические комплексы требуют надежного электроснабжения, обеспечивающего необходимые качественные показатели электрической энергии. Естественно, при отсутствии качественного и бесперебойного электроснабжения электрической энергией даже самое современное технологическое оборудование не сможет выполнять свои функции.

В.1. Обзор научно-технической литературы по вопросам возникновения кратковременных нарушений электроснабжения и их влияния на электрооборудование предприятий с непрерывным технологическим процессом

Непрерывностью технологических процессов характеризуются предприятия химической, нефти(газо)химической, металлургической промышленности, транспорта нефти и газа, производства электроэнергии. Одной из особенностей таких производств является то, что при кратковременных нарушениях нормального электроснабжения длительностью до десятых долей секунды может произойти нарушение непрерывности технологических процессов, сопровождаемое остановом производств. При этом возникают убытки вследствие недоотпуска продукции, частичной или полной порчи технологического оборудования, а в ряде случаев - пожары и взрывы.

Время на восстановление технологического процесса может достигать нескольких часов [34,36,52].

Под кратковременными нарушениями электроснабжения понимается любое нарушение с последующим восстановлением нормального электроснабжения. Одним из самых распространенных кратковременных, нарушений электроснабжения являются провалы напряжения [78].

В соответствии с ГОСТИ 109-97 провалом напряжения называется внезапное значительное понижение напряжения ниже 0,9 UH0M в точке электрической сети, за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня через промежуток времени от десяти миллисекунд до нескольких секунд.

Провалы напряжения характеризуют глубиной, длительностью и частостью. Причем, длительность провала напряжения Atn, определяемую как интервал времени между началом провала и моментом восстановления напряжения, относят к основным показателям качества электроэнергии. Глубину же провалов напряжения SUn (разность между номинальным и минимальным действующими значениями напряжения в течение провала, выраженную в относительных единицах или в процентах) и частость появления провалов напряжения Fn (число провалов напряжения определенной глубины и длительности за определенный промежуток времени по отношению к общему числу провалов за этот же промежуток времени) относят к вспомогательным параметрам электроэнергии.

Следует отметить, что в ГОСТе приведены справочные статистические данные по провалам напряжения, относящиеся в основном к отечественным крупным городским электрическим сетям 6-10 кВ. Анализируя данные, можно заметить, что в отечественных кабельных и кабельно-воздушных сетях преобладают провалы напряжения глубиной от 35 до 99% и продолжительностью 1,5-3,0 с. Причем, каждый потребитель, получающий электроэнергию от кабельных сетей, испытывает до 10 провалов в год, а от кабельно-воздушных - до 25-30.

Наиболее представительными являются статистические данные по провалам напряжения, собранные в странах ЕС 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, в которых производилось исследование в 33 СЭС, являлись чисто кабельными, в 52 СЭС - смешанными воздушно-кабельными (с головным участком, выполненным воздушной ЛЭП).

По статистическим данным ЕС распределение по длительности провалов напряжения составляет:

Для СЭС с кабельными ЛЭП: до 0,1 с - 40,5%; от 0,1 до 0,5 с - 44,5%; от 0,5 до 1 с - 7,5%.

Для СЭС со смешанными ЛЭП: до 0,1 с - 29%; от 0,1 до 0,5 с - 35%; от 0,5 до 1 с - 26%.

Распределение провалов напряжения по глубине составляет:

Для СЭС с кабельными ЛЭП: до 0,3 {/ном - 58%; от 0,3 до 0,6 £/„ом - 21%; от 0,6 до 0,95 - 14%; до 1UH0M - 7%.

Для СЭС со смешанными ЛЭП: до 0,3 UH0M - 41,5%; от 0,3 до 0,6 Umu -21,5%; от 0,6 до 0,95 - 7,5%; до 1 £/ном. - 29,5%.

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, пропорциональное времени измерения, для СЭС со смешанными (воздушно-кабельными) электрическими сетями в два и более раз больше, чем для СЭС с чисто кабельными сетями.

Приведенные статистические данные не могут быть напрямую перенесены на промышленные предприятия без определенных поправок. На современных промышленных предприятиях широко применяются схемы глубокого ввода высокого напряжения в центр нагрузок, при этом плотность нагрузки на промышленных предприятиях гораздо выше, чем в городах. Это обуславливает относительно меньшую протяженность кабельной сети 6—10 кВ на промпредприятиях против протяженности в городских кабельных сетях. Этим же объясняется большее влияние на потребителей промпредприятий процессов, происходящих в сетях высокого напряжения, т.е. 110(220) кВ.

Основной причиной возникновения провалов напряжения являются короткие замыкания. Короткое замыкание на одном из участков системы электроснабжения часто вызывает снижение напряжения в радиусе нескольких десятков километров. Любые неисправности на одном из элементов системы электроснабжения могут вызвать нарушение технологических процессов и привести к потерям продукции на предприятиях, оказавшихся в зоне возникновения провалов напряжения.

Кратковременные нарушения нормального электроснабжения (КНЭ) можно разделить на следующие группы.

1. Внешние (не находящиеся в цепи питания объекта) короткие замыкания (КЗ) любых видов. Такие КЗ отключаются релейной защитой за десятые доли секунды, и электроснабжение объекта возобновляется. Однако при КЗ возникают провалы напряжений, которые могут служить причиной аварийного останова технологических процессов.

2. КЗ любых видов в цепи питания объекта. При отключении таких КЗ электроснабжение не восстанавливается и требуется работа системы автоматического ввода резерва с последующим самозапуском электродвигательной нагрузки, подключенной к потерявшему питание вводу.

3. Несанкционированные отключения в цепи питания объекта. Причиной таких отключений могут быть: человеческий фактор (ошибка дежурного персонала), отключения выключателей от технологических защит (например, от понижения уровня масла) и ряд других.

4. Излишние отключения, вызванные действием технологических защит из-за недопустимого изменения какого-либо параметра, например давления, напора и др., а также отключения, происходящие в результате неправильного выбора уставок защиты минимального напряжения которые должны быть согласованы с уставками АВР и АПВ.

КНЭ первой группы составляют преобладающую долю от общего их количества. Их длительность при КЗ на линиях 110-330 кВ составляет 0,2-0,5 с [4,5]. При этом полного перерыва питания обычно не. происходит, но возмущение распространяется на значительное число предприятий. Такие КНЭ сопровождаются глубоким снижением напряжения в сетях среднего, низкого напряжений [23].

Статистические данные аварийных режимов работы компрессорных станций показывают, что по причине нарушений в работе системы внешнего электроснабжения, которые проявляются в снижении напряжения в узлах нагрузки 6(10) кВ, происходит 40-55% аварийных остановов компрессорных цехов и газоперекачивающих агрегатов КС ОАО «Газпром». В среднем 25 остановов цехов, от 1 до 6 остановов одного цеха в год. На ряде предприятий в результате проведенных научно-исследовательских и инженерных работ удалось уменьшить число аварийных остановов. Так, если на Астраханском ГПЗ в первые годы эксплуатации наблюдалось 30 отключении узлов нагрузки в год, то в последние годы наблюдается 3-4 отключения узлов нагрузки, связанных с КНЭ. Однако проблема нарушения технологических процессов вследствие КНЭ по-прежнему остро стоит для многих предприятий.

В 2002 г. зарегистрировано 87 КЗ в сетях высокого напряжения, питающих ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» с успешным срабатыванием релейной защиты, в том числе 22 - на линиях региональной энергосистемы, в 80% случаев была внеплановая остановка как минимум одного цеха. Итоговая недовыработка продукции основного производства комбината в подразделениях только за счет двух крупных аварий в системе электроснабжения составила - 1567 т агломерата, 2824 т чугуна, 3243 т проката [68].

Анализ схем электроснабжения крупных химических предприятий показывает, что КНЭ, вызывающие остановку всего производства, наблюдаются до 10-11 раз в год.

При КНЭ в распределительных сетях среднего напряжения возмущение затрагивает меньшее число потребителей, но при этом из-за действия устройств АПВ и АВР, как правило, возникает перерыв питания.

Полное время перерыва питания при работе АВР определяется следующим образом: пер t0B+tB+ /вв, где /фП - время фиксации перерыва пусковым органом АВР; tB - выдержка времени действия АВР; овЛв - соответственно времена отключения выключателя поврежденного ввода и включения секционного выключателя.

Применительно к системе внутризаводского электроснабжения /пер имеет длительность *п=0,4. .2,4 с [64].

Это обусловлено следующими обстоятельствами:

- устаревшим парком средств релейной защиты, основу которого до настоящего времени составляют электромеханические реле, обладающие существенной электромеханической инерцией. Среднее время срабатывания такого реле можно оценить временем *ср=0,05. ОД с;

- основным видом защиты кабельных ЛЭП и токопроводов в СЭС являются максимально-токовые защиты, имеющие выдержки времени по селективности ?вв=0,5 - 1,5 с;

- устаревшим парком выключателей, основу которого до настоящего времени составляют маломасляные выключатели типа ВМП, имеющие полное время отключения *Ов=0,1 с и время включения /вв=0,3 с.

Несанкционированные отключения в цепи питания объекта являются наиболее тяжелым случаем нарушения электроснабжения. При этом длительность нарушения обуславливается ожиданием снижения напряжения на отключенной секции РУ до безопасного уровня. На этом этапе необходимо гашение поля синхронных двигателей, причем в зависимости от способа гашения поля длительность нарушения может составить до 5 с [21].

Излишние отключения узлов нагрузки при КНЭ могут происходить при неправильном выборе защиты минимального напряжения. На ряде предприятии уставка и время срабатывания защиты минимального напряжения принимаются согласно нормативным документам, значение которых имеет априорный характер. Это ведет к неполному использованию запаса устойчивости системы электроснабжения. Происходит отключение синхронных и асинхронных двигателей, хотя их самозапуск возможен [28,29,54,66,69].

Интенсивность (X) ложных и излишних срабатываний РЗиА, по статистическим данным составляет от 1,4*10"3 до 10*10"3 ложных срабатываний в год и от 0,93*10 до 27*10" излишних срабатываний в год [33].

Потребителей электрической энергии технологических процессов по способам обеспечения требуемой надежности электроснабжения можно разделить на следующие группы:

1. Высоковольтные (UH0M=6( 10) кВ) электрические двигатели. Для них главная проблема - обеспечение успешного самозапуска после кратковременного нарушения электроснабжения.

2. Низковольтные (до 1кВ) электрические двигатели. В большинстве случаев это асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, для которых особых проблем с самозапуском нет. Однако эти двигатели подключаются к электрической сети контакторами или магнитными пускателями, которые удерживаются во включенном состоянии напряжением сети. При кратковременных нарушениях электроснабжения возникают провалы напряжения длительностью десятые доли секунды, но этого времени оказывается достаточно для массового отключения тех контакторов, которые затронуты провалом напряжения. Остановки низковольтных двигателей могут вызвать остановку технологических процессов.

3. Устройства управления технологическим процессом. Современные устройства управления базируются на компьютерах, микроконтроллерах, микросхемах и поэтому особо чувствительны к провалам напряжения. Предельная допустимая длительность провалов напряжения, после которой возникает сбой в программах управления, составляет пр=0,01 с. Реальная длительность провалов напряжения - десятые доли секунды. Сбой в программах управления технологическими процессами неизбежно ведет к аварийным остановам производства.

Электрические двигатели переменного тока предприятий с непрерывным технологическим процессом служат приводом насосов, вентиляторов, компрессоров, газо- и воздуходувок, подъемно-транспортных и других механизмов. При этом доля асинхронных и синхронных двигателей колеблется в широких пределах.

При кратковременном нарушении электроснабжения и глубоком снижении напряжения до 0,4 - 0,5 UH0M возникает возможность нарушения устойчивости системы. Вследствие КЗ на смежном участке СЭС синхронный двигатель переходит в генераторный режим и начинает тормозиться под воздействием приводного механизма и возникающего в двигателе генераторного момента, обусловленного током возбуждения двигателя. Угол нагрузки 8 синхронного двигателя, представляющий собой угол между результирующим вектором напряжения сети и поперечной осью двигателя, вырастает до критического значения, и двигатель выпадает из синхронизма, переходя в асинхронный режим [66].

Поведение асинхронного двигателя при КНЭ принципиально отличается от синхронного двигателя отсутствием обмотки возбуждения, но приводит к тем же последствиям.

После отключения КЗ двигатели находятся в разгонном режиме, в обмотках двигателей протекают повышенные токи, мощность, потребляемая из сети, возрастает в несколько раз по сравнению с мощностью, потребляемой в нормальном режиме. В результате чего система не может выйти на исходный рабочий режим [9].

В случае возникновения таких режимов секции с двигателями должны отключаться, иначе по истечении дополнительного времени сработают индивидуальные защиты двигателей, что приведет к еще большим повреждениям оборудования и затянет процесс восстановления работы системы. За время, требуемое для пуска двигателей и намного превышающее длительность нарушения электроснабжения, технологический параметр (такой как давление или производительность) может выйти за установленные для производства нормы, что приведёт к выпуску бракованной продукции, порче сырья, материалов, а в ряде случаев может возникнуть опасность, связанная с гибелью людей.

В случае применения для низковольтных электродвигателей магнитных пускателей обычного исполнения, которые отключаются при провале напряжения глубиной к20-40%, может произойти остановка высоковольтных синхронных и асинхронных электродвигателей из-за самоотключения низковольтных насосов принудительной смазки подшипников, насосов охлаждающей воды, вентиляторов (для взрывоопасных сред) и т.п.

Особенно чувствительными к кратковременным нарушениям электроснабжения являются частотно-регулируемый электропривод, станки с числовым программным управлением, вентильно-преобразовательные установки, микропроцессорные системы управления технологическими процессами, питающиеся от цеховых электрических сетей 0,38 кВ и др.

Так, например, агрегаты и линии непрерывного производства металлокорда аварийно останавливаются при глубине провалов 8Un более 15% и длительности Atn более 25мс.

В.2. Характеристика предприятий с непрерывным технологическим процессом, требования потребителей по бесперебойности электроснабжения и анализ схем электроснабжения

В последние 10-20 лет развитие промышленности России осуществляется в основном за счет строительства и модернизации предприятий с непрерывными технологическими процессами.

Электрическое хозяйство промпредприятий можно описать с помощью следующих электрических показателей: получасового максимума нагрузки Рш МВт; коэффициента спроса Кс; годового числа часов использования максимума нагрузки Тм; количества установленных двигателей Д и их средней мощности Рср; электровооруженности труда Aj - годового потребления электроэнергии, отнесенного к численности работающих Чу, МВт.ч/чел.; производительности труда электротехнического персонала Аэ - годового потребления электроэнергии, отнесенного к численности электриков Чэ,

МВт.ч/чел. (электротехнический персонал предприятия в целом).

Таблица В.1

Электрические показатели предприятий с непрерывным технологическим процессом

Предприятие Рм» МВт Кс, о.е. Тм,час Д,шт Рср> кВт Ах, МВт.ч /чел Аэ, МВт.ч/ чел

Химический комбинат 89 0,18 8640 14529 28,3 67 960

Металлургический комбинат 336 0,19 7949 53014 30,6 99 830

Нефтеперерабатывающий завод 64,3 0,28 7596 4231 53,9 242,3 3462

Завод искусственного волокна 44,9 0,21 7869 12347 11 51,3 893

Газоперерабатывающий завод 116 0,51 7321 3125 56 233 5110

Магистральный нефтепровод 55,6 0,29 5700 1483 115,7 352 3605

Анализируя значения электрических показателей можно сделать следующие выводы:

- по величине получасового максимума нагрузки предприятия с непрерывным технологическим процессом относятся к крупным электропотребителям;

- коэффициент спроса варьируется в широких пределах, достигая наибольшего значения для газоперерабатывающих предприятий. При этом число часов использования максимума нагрузки колеблется от 6 до 8 тыс.часов в год, что характеризует высокое электропотребление, ровный график нагрузки с относительно высоким коэффициентом заполнения;

- парк электрических двигателей значителен и достигает наибольших значений для предприятий металлургической промышленности. В отдельном случае для крупного металлургического комбината это значение составляет 105 - 10б штук;

- электровооруженность Ат и производительность труда электротехнического персонала Аэ колеблются в 10 и более раз. При этом следует учесть то, что чем современнее предприятие, тем выше эти I показатели. >

В целом предприятия с непрерывным технологическим процессом характеризуются ответственностью нагрузок, перерыв электроснабжения которых связан со значительным невосполнимым ущербом; большим количеством электродвигателей высокого напряжения, схемы электроснабжения которых построены с высокой степенью надежности: наличием «скрытого» резерва в оборудовании для возможности бесперебойного питания при аварии в электрической цепи.

Согласно нормативным документам электроснабжение потребителей или отдельных электроприемников, обеспечивающих непрерывный технологический процесс, должно осуществляться не менее чем от двух независимых источников питания.

Из состава электроприемников первой категории выделяется особая группа электроприемников, бесперебойная работа которых необходима для безаварийного останова производства с целью предотвращения угрозы жизни людей, взрывов и пожаров. Для электроснабжения особой группы электроприемников первой категории должно предусматриваться дополнительное питание от третьего независимого взаимно резервирующего источника питания.

В качестве третьего независимого источника питания для особой группы электроприемников и в качестве второго независимого источника питания для остальных электроприемников первой категории могут быть использованы местные электростанции, электростанции энергосистем (в частности, шины генераторного напряжения).

Согласно п. 1.2.10. ПУЭ, независимыми называются такие источники, нарушение электроснабжения на одном из которых не оказывает существенного влияния на работу другого. Данное определение независимых источников питания не учитывает конструктивные и территориальные признаки.

Основными источниками питания предприятий с непрерывным технологическим процессом являются источники внешнего электроснабжения - вводы от энергосистемы на напряжение 110 или 220 реже 35 кВ [67]. Крупные промышленные предприятия во многих случаях получают питание по линиям 110 кВ от двух, реже трех подстанций энергосистемы. Эти подстанции связаны между собой и соседними районными подстанциями линиями 110-220 кВ. КЗ в сети 110 кВ любой из подстанций может вызвать одновременно глубокое снижение напряжения у всех потребителей, получающих питание и от других подстанции. В результате происходят неоправданные нарушения технологического процесса. В этом случае две подстанции 110 кВ, питающие промышленное предприятие, не могут рассматриваться как два независимых источника питания.

Число КНЭ в конечном итоге зависит от структуры электрической сети энергосистемы, питающей предприятие.

Иногда питание главной понижающей подстанции (Г1111) предприятия осуществляется от двух независимых источников питания по одной двухцепной BJI, что приводит к снижению степени независимости источников. Как правило, для электроснабжения предприятий с одной ГПП при преобладании ответственных потребителей применяются две одноцепные питающие BJ1 110 кВ. Крупные предприятия имеют две и более ГПП. Их питание осуществляется от двух источников по двум двухцепным BJI. Такая схема обеспечивает питание обеих ГПП при выходе из строя одной BJI. а) б) в) г)

Рис. В. 1. Электроснабжение главных понизительных подстанции предприятий от подстанций энергосистемы (РП): а - по двухцепной воздушной линии; б - по двум одноцепным BJI; в - двух ГПП по двум двухцепным BJI; г - то же, но со взаимным резервированием источников

В настоящее время самым ненадежным видом внешнего электроснабжения являются магистральные схемы 110 кВ с большим количеством присоединений, упрощенные схемы с короткозамыкателями и отделителями [38,48].

Для потребителей, предъявляющих высокие требования к надежности электроснабжения, радиальные схемы являются основным видом схем питания ГПП.

Схема внешнего электроснабжения предприятия и источники питания оказывают решающее влияние на устойчивость узлов нагрузки напряжением 6(10) и 0,4 кВ.

На современном этапе развития энергетики стала осознаваться целесообразность строительства на предприятиях электростанций малой мощности. Тенденция отказа от заводских электростанции для предприятий с непрерывными технологическими процессами была характерна для развития электроэнергетики на протяжении длительного периода времени. Исторически развитие энергетики шло по пути строительства мощных тепловых и атомных электростанции и создания Единой энергетической системы для решения таких глобальных задач, как связь между отдельными регионами страны с целью более рационального использования генерирующих мощностей, сокращения их резерва, экономии органического топлива, повышения надежности электроснабжения отдельных регионов. Электроснабжение предприятий переводилось на питание через сети 110-330 кВ от мощных электростанций [55]. В этот период электростанции малой мощности были неконкурентоспособны с электростанциями энергосистемы. Основными причинами такого положения являлась высокая стоимость турбоагрегатов малой мощности, низкая стоимость органического топлива и тарифов на электрическую энергию.

Характерной особенностью современного этапа энергоиспользования на предприятиях является рост тарифов на электрическую и тепловую энергию.

При этом рост тарифов существенно превышает рост цен на продукцию промышленности.

Согласно «Энергетической стратегии России до 2020 г.» на первом плане будет иметь место рост цен энергоносителей на 15-20% в год (без учета инфляции). Так, тариф к 2010 г. возрастет в 3-3,5 раза. Это приведет к увеличению энергетической составляющей в энергоемких отраслях промышленности в пределах 6-8% (химия, черная и цветная металлургия, тяжелое машиностроение и др.).

Предприятия с непрерывным технологическим процессом являются крупнейшими потребителями топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) (табл.В.2.).

Таблица В.2.

Доля затрат по отраслям, %

Отрасль Энергия Топливо

Черная металлургия 9,8 9,6

Цветная металлургия 13,0 9,0

Химия и нефтехимия 16,8 4,5

Машиностроение и металлообработка 8,2 3,3

Промышленность, всего 11,3 9,5

Все это определяет высокую долю затрат в себестоимости продукции. За период с 1992 по 1996 г.г. доля энергозатрат в себестоимости выпускаемой продукции выросла в химической и нефтехимической промышленности в 2,82 раза. Доля ТЭР в себестоимости продукции черной металлургии внастоящее время составляет 25-30% (включая кокс), в алюминиевой - 35 - 42%. Удельные расходы электроэнергии на тонну проката изменяются от 36,9 до 2538 кВт><ч/т при среднеотраслевой удельной норме 112,6 кВтхч/т.

Таким образом, для многих промышленных предприятий целесообразно в качестве независимого источника электроснабжения электроприемников, обеспечивающего непрерывность технологического процесса, использовать заводские электростанции. Причем, экономически эффективнее оказывается использование электростанции типа ТЭЦ. Если сопоставить комбинированное производство электрической и тепловой энергии на ТЭЦ с раздельным производством электрической энергии на КЭС и тепловой энергии на котельной, то можно показать, что комбинированный цикл дает экономию топлива около 30%. Повышению конкурентоспособности заводской ТЭЦ способствует наличие замкнутой системы выработки-потребления энергии. Опыт работы таких энергоисточников показал, что стоимость произведенной на них электрической и тепловой энергии в 2-3 раза ниже покупных в энергосистеме.

В настоящее время в России сформировался рынок газотурбинных электростанции (ГТЭС). ГТЭС может строиться как самостоятельный объект или использоваться при реконструкции и расширении действующих тепловых электростанций.

На рис.В.2 показана обычно применяемая схема подключения крупных и средних ТЭЦ и схема электроснабжения потребителей с распределением мощности на генераторном напряжении. Секции РУ 6(10) кВ и генераторы, как правило, работают параллельно. В фидерах, отходящих от РУ 6(10) кВ к потребителям, установлены реакторы.

Однако использование такой схемы для мини-ТЭЦ ни с технической, ни с экономической точек зрения не оправдано. При выборе схемы подключения мини-ТЭЦ чаще всего приходится считаться с уже существующей схемой электроснабжения предприятия, в которой источником питания является либо собственная, либо районная подстанция 110(220)/6(10) кВ, а электрооборудование рассчитано на отключение тока КЗ в 20 (реже — 31) кА.

С учетом сказанного более целесообразно применение схем на рис. В.З, а и б, имеющих свои преимущества и недостатки. Так, в схеме на рис. В.З, а (на первый взгляд, наиболее простой) возникают сложности в случаях ограничения токов КЗ, обеспечения селективности действия релейных защит, обеспечения динамической устойчивости генераторов при КЗ в распределительной сети 6(10) кВ.

Сеть 110(220) кВ

К потребителям К потребителям

Рис.В.2 Схема подключения ТЭЦ большой и средней мощности

В этом отношении схема на рис.В.З,б более предпочтительна, однако при ее применении требуется некоторая реконструкция ГПП 110(220)/6(10) кВ и сложнее реализовать автономный режим работы генераторов на выделенную нагрузку.

Во всех случаях при наличии питания от энергосистемы возможны два режима работы генераторов малых ТЭЦ: параллельный с энергосистемой и автономный — на специально выделенную нагрузку. Каждый из этих режимов имеет свои достоинства и недостатки. При параллельном режиме работы значительно легче решаются вопросы обеспечения качества электроэнергии. В первую очередь, это относится к таким показателям, как частота, уровни и колебания напряжения, симметрия напряжения и токов по фазам статора генератора. В автономном же режиме поддержание требуемых параметров качества электроэнергии часто весьма затруднено. Таким образом, с точки зрения возможности обеспечения требуемого качества электроэнергии параллельный режим работы является предпочтительным. Кроме того, в данном режиме возможна продажа избыточной электроэнергии другим потребителям, если это экономически выгодно.

Сеть 110(220) кВ

Сеть 110(220) кВ

Т1

Т2

Т2 i f ш 4

К потребителям mn

РУ 6(10) KB I I гтшшп

К потребителям

К потребителям П Л ©

К потребителям ш

К потребителям

ТЭЦ РУ6(10)кВ

1 £ Ш о

Ф© Ш

Г1 Г2 I J Ф Ф

К потребителям

К потребителям а) б)

Рис.В.З Схема подключения ТЭЦ малой мощности: а) и б) - первый и второй варианты

Вместе с тем параллельный с энергосистемой режим работы генераторов характеризуется большими токами КЗ на шинах РУ 6(10) кВ, что требует дорогостоящей реконструкции сети 6(10) кВ. Существенную роль при решении этого вопроса играют и технические условия энергосистемы, касающиеся, как правило, параллельного режима работы (в частности, требуется реконструкция релейных защит). Для их реализации также необходимы дополнительные капитальные затраты. С этой точки зрения более целесообразной можно считать работу генераторов мини-ТЭЦ на выделенную нагрузку в автономном режиме. На практике довольно часто приходится предусматривать возможность работы в обоих режимах.

В каждом случае выбирается своя схема подключения заводской ТЭЦ, при этом приходится учитывать возможности существующей схемы электроснабжения и определять, какие из требований являются главными [70].

Распределение электроэнергии на предприятиях осуществляется на напряжении 6-10 кВ. Распределительные пункты (РП) этого напряжения имеют два раздельно работающих ввода с устройством АВР между ними, которое позволяет восстановить питание путем включения резервных источников питания взамен

6(10) кВ

6(10) кВ

6(10) кВ в) поврежденных или ошибочно отключенных. Однако, применение на подстанциях и распределительных пунктах АВР с традиционным алгоритмом функционирования пускового органа затрудняет обеспечение бесперебойной работы технологического оборудования при кратковременном перерыве электроснабжения.

Схемы с параллельной работой вводов (рис.В.4.б) при соответствующем усложнении

Рис.В.4. Схемы включения шин распределительных пунктов 6-10 кВ а - с раздельной работой вводов; б - с параллельной работой вводов; „ а релейной защиты обеспечивают в - с параллельной работой вводов через v реактор непрерывное питание обеих секций подстанции в случае отключения одного из вводов.

Существуют схемы с двумя секционными выключателями (рис.В.4.в), один из которых соединяет секции через реактор при нормальной работе, а второй шунтирует реакторную цепь при выходе из строя одного из вводов. Это схема в некоторых случаях обеспечивает повышение надежности электроснабжения, облегчая самозапуск электродвигателей, а иногда позволяет сохранить бесперебойность работы оборудования и без самозапуска.

Однако, в настоящее время последние две схемы применяются редко из-за увеличения токов КЗ, усложнения и удорожания релейной защиты и др.

Помимо перечисленных, известны устройства, осуществляющие различные виды АВР, такие как синфазное быстродействующее опережающее АВР (БОАВР) и быстродействующее АВР (БАВР) на тиристорном секционном выключателе [1,3,15,16,65,66].

В связи с широким внедрением вакуумных выключателей с высоким быстродействием и специальных устройств управления их приводами проблема создания БАВР по традиционной схеме (рис.В.4.а) представляется разрешимой [2,11,17,25,58,59].

Внутренние схемы электроснабжения промышленных предприятий строятся по принципу блочности (агрегатности) электроснабжения и предусматривают питание всех электроприемников одной технологической линии от одной подстанции, что существенно повышает надежность электроснабжения. К каждой цеховой подстанции подключаются электроприемники только одного производства, а к каждой секции — только одной технологической линии. В идеальном случае от одной ячейки ГПП питается одна технологическая линия какого-либо производства.

Для каждого производства с непрерывным технологическим процессом существует минимальное время перерыва питания, в течение которого технологические параметры не успевают выйти за допустимые пределы, и технологический процесс не нарушается (таблица В.З) [6,28].

Таблица В.З.

Электропотребители непрерывных производств и допустимое время нарушения электроснабжения

Потребитель Допустимое время, с

Коксохимическое производство

Гравитационное, сушильное и флотационное отделения обогатительной фабрики. Дробильные и смесительные машины, отделения предварительного дробления. Насос подачи оборотной воды на охлаждение первичных холодильников и подачи надсмольной воды на орошение газосборников и в аммиачное отделение. 1-2 1-2 1-2

Эксгаустер. Цех ретификации бензола. 1-2 1-2

Окускование

Корпус дробления и измельчения кокса, известняка. 1

Конвейеры подачи агломерата в бункер доменного цеха и готовых окатышей. 1

Обогатительное производство

Дробилки. 1

Прокатное производство

Непрерывные прокатные станы. до 1

Химическая и нефтехимическая промышленность

Аммиачные и другие мощные поршневые компрессоры. Другие потребители аммиачных производств. Завод синтетического спирта. Каталитический крекинг. Каталитический реформинг. Установка деасфальтизации. Атмосферно - вакуумная трубчатка. 0,13-0,2 1-2 0,2 3-5 3 1,5-3 2-3

Завод синтетического каучука

Цех газораспределения. Цех выделения каучука. Цех полимеризации и экстрактивной дистилляции. Цех дегидрирования бутилена. Цех дегидрирования бутана. 1 1-2 2-3 3 5-8

Энергетические установки

Водонасосные, кислородные и компрессорные (для сжатого воздуха) станции, турбогазодувки, эксгаустеры. 1-3

Вытяжные вентиляторы ядовитых веществ. 0,1-1

Определение величины t0 имеет решающее значение для выбора времени действия релейных защит и автоматики, а также для последующего расчета самозапуска электродвигателей.

Величина tQ зависит от множества факторов: технологических, механических и электрических переходных процессов, и точное ее определение представляет значительные трудности. Наиболее правильное значение может дать эксперимент, проведенный по заранее разработанной программе.

Однако, в большинстве случаев устойчивость технологического процесса, как правило, определяется не требованиями технологических агрегатов, а устойчивостью двигательной нагрузки.

Помимо требований бесперебойности электроснабжения основных технологических агрегатов, необходимо учитывать также требования вспомогательных механизмов: маслонасов системы смазки подшипников, цилиндров, насосов водоохлаждения, вентиляторов воздушного охлаждения и т.п.

Из всего сказанного можно сделать следующий вывод: предприятия с непрерывным технологическим процессом имеют электроприемники, чувствительные к нарушениям электроснабжения, причем устранить все КНЭ практически невозможно. Основной причиной возникновения КНЭ являются КЗ в системах электроснабжения, которые могут приводить к нарушениям технологических процессов. КЗ в электрических сетях неизбежны, причем с развитием энергосистемы число КЗ увеличивается, что вызывает необходимость разработки действенных средств и методов их прогнозирования и защиты о них.

В.З. Выбор и обоснование темы и общая характеристика диссертационной работы

Проблема, связанная с воздействием КНЭ на работу промышленного предприятия, известна давно, но продолжает существовать, становясь более острой из-за усложнения технологических процессов, укрупнения промышленного производства.

Переход энергетической отрасли России в сферу рыночных отношений вызывает пересмотр промышленными предприятиями сложившейся структуры централизованного электроснабжения в сторону развития источников электроэнергии, не зависящих от режимов работы энергосистемы и вырабатывающих более дешевую электрическую энергию. В результате многие предприятия, располагающие вторичными энергоресурсами, расширяют свою энергетическую базу.

Сооружение новых заводских электростанций и расширение старых приводит к усложнению энергохозяйства предприятий. Используется параллельный режим работы генераторов, система внутризаводского электроснабжения усложняется, и в ней возникают замкнутые контуры. Изменяются условия работы электрических сетей, релейной защиты и автоматики:

Для того чтобы не происходило излишних отключений, необходимо определить границы области динамической устойчивости, расчеты которой традиционно базируются на компьютерном моделировании.

Приведенные выше статистические данные по нарушениям технологических процессов непрерывных производств при КНЭ показал актуальность тематики данной диссертационной работы.

Цель диссертационной работы Основной целью диссертационной работы является повышение устойчивости систем электроснабжения предприятий с непрерывным технологическим процессом к кратковременным нарушениям электроснабжения, вызванных внешними КЗ в электрических сетях высокого и среднего напряжений, за счет определения области значений параметров электротехнической системы, в пределах которой обеспечивается устойчивость электродвигательной нагрузки.

Для достижения поставленной цели последовательно решались следующие задачи.

1. Модернизация комплекса программ для расчета устойчивости электротехнических систем с электродвигательной нагрузкой, содержащих замкнутые контура.

2. Оценка и ранжирование параметров электротехнической системы, влияющих на критическое время динамической устойчивости.

3. Определение области параметров электротехнической системы, в пределах которой сохраняется динамическая устойчивость при КНЭ, вызванных трехфазными КЗ.

4. Определение области параметров электротехнической системы, в пределах которой сохраняется динамическая устойчивость при КНЭ, вызванных несимметричными КЗ.

Объекты и методы исследования. Объектами исследования являются системы электроснабжения промышленных предприятий с главной понизительной подстанцией, питающиеся от подстанции электрической системы. Исследования, проведенные в диссертационной работе, выполнены с использованием теории электрических цепей, численных методов решения систем нелинейных алгебраических и дифференциальных уравнений, теории функции комплексных переменных, теории устойчивости и методов математического моделирования электротехнических систем. Положения, выносимые на защиту:

1. Комплекс программ для расчётно-экспериментальных исследований устойчивости систем электроснабжения произвольной конфигурации, структуры и состояния, содержащих замкнутые электрически сети, при кратковременных нарушениях электроснабжения произвольного характера в любом месте системы электроснабжения.

2. Классификация и упорядочение по степени влияния на динамическую устойчивость системы электроснабжения параметров электротехнической системы.

3. Результаты теоретических и расчетно-экспериментальных исследований динамической устойчивости системы электроснабжения с электродвигательной нагрузкой.

Научная новизна может быть сформулирована следующим образом:

1. Разработан новый алгоритм расчета систем электроснабжения, имеющих в электрических сетях замкнутые контуры, основанный на использовании уравнений узловых напряжений, выраженных через узловые сопротивления относительно узлов нагрузки NC. Все известные методы основаны на использовании узловых сопротивлений относительно общего числа узлов схемы замещения п, число которых в несколько раз больше узлов нагрузки. За счет такого подхода достигается экономия оперативной памяти и времени расчета в размере (n/NCf .

2. Определены количественные показатели влияния параметров электротехнической системы на критическое время динамической устойчивости системы электроснабжения.

3. Установлена область параметров электротехнической системы, в пределах которой сохраняется устойчивость электродвигательной нагрузки при любых внешних КЗ в электрических сетях высокого и среднего напряжения.

Обоснованность и достоверность

Достоверность результатов исследований подтверждается следующим: корректностью исходных посылок; корректным использованием апробированных математических моделей элементов СЭС; хорошим совпадением результатов расчетно-экспериментальных исследований с данными наблюдений; корректным объяснением результатов расчетно-экспериментальных исследований физикой переходных процессов.

Основные практические результаты:

1. Комплексы программ могут быть рекомендованы для автоматизированных расчетно-экспериментальных исследовании устойчивости в системах промышленного электроснабжения (СПЭ) предприятий с электродвигательной нагрузкой, имеющих замкнутую конфигурацию, при возникновении кратковременных возмущающих воздействий произвольного характера (КЗ, отключения) в любом месте системы электроснабжения.

2. Результаты исследований режимов, возникающих в СЭС промышленных предприятий при КНЭ, могут быть использованы для правильной настройки параметров релейной защиты, разработки мероприятий по повышению устойчивости системы электроснабжения при внешних и внутренних возмущающих воздействиях.

3. Результаты, полученные в диссертационной работе, внедрены на Череповецком ОАО «Аммофос» при решении задачи выбора главной схемы утилизационной ТЭЦ, введенной в эксплуатацию в 2004-2005 г.г. Получен акт внедрения результатов работы.

Апробация работы: Основные результаты диссертационной работы докладывались автором и обсуждались на:

- Десятой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов (Москва, 2004 г.);

- Всероссийской конференции «Информационные технологии в электроэнергетике нефтяной и газовой промышленности» (Москва, 2004 г.);

- Одиннадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов (Москва, 2005 г.);

- на научно-технических семинарах кафедры электроснабжения промышленных предприятий.

Публикации: По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения. Общий объем составляет 194 страниц машинописного текста, 79 рисунков, 8 таблиц, список использованной литературы из 81 наименования на 8 страницах.

4.3. Выводы по главе.

На основании исследования устойчивости двигательной нагрузки при внешних несимметричных КЗ в распределительных сетях электрической системы и предприятия могут быть сделаны следующие выводы.

1. Динамическая устойчивость электродвигательной нагрузки при прочих равных условиях определяется устойчивостью С Д. При двухфазном КЗ на землю вблизи шин электрической системы минимальное критическое время нарушения электроснабжения составляет /кр=0,25-0,3 с, что больше времени при трехфазном КЗ при прочих равных условиях. Нарушение динамической устойчивости СД при провалах напряжения, вызванных внешними двухфазными КЗ на землю в сетях высокого напряжения, может являться причиной аварийных остановов технологических процессов непрерывных производств.

2. При токе однофазного КЗ на шинах электрической системы, в два раза меньшем тока трехфазного КЗ остаточное напряжение прямой последовательности на шинах электрической системы при двухфазном КЗ на землю близком к шинам электрической системы, составляет 0,42-0,45 £/НОм-При токе однофазного КЗ на шинах электрической системы, равном току трехфазного КЗ, остаточное напряжение уменьшается до 0,32-0,34 £/ном. Остаточное напряжение прямой последовательности на шинах ГПП увеличивается на -6% от UH0U, что значительно увеличивает запас динамической устойчивости системы. В этом случае минимальное критическое время нарушения электроснабжения составило /кр=0,38-0,6 с. При мощности электрической системы, определяемой током КЗ /кз}>5 кА, уменьшение тока однофазного КЗ на шинах электрической системы 1^=1^/2 приводит к увеличению остаточного напряжения прямой последовательности на шинах электрической системы на ~11% от UH0U.

3. Остаточное напряжение прямой последовательности на шинах ГПП при двухфазном КЗ на землю больше остаточного напряжения на шинах электрической системы на -26% от UmM для варианта преобладающей СД нагрузки и на =21% от £/ном для варианта преобладающей АД нагрузки.

4. Максимальная удаленность внешнего двухфазного КЗ на землю от цепи питания объекта, при которой возможно нарушение динамической устойчивости, составляет 3,2 км, соответствует преобладающей АД нагрузке и мощности электрической системы, определяемой током КЗ 7^)=5кА. Критическое время нарушения электроснабжения при изменении удаленности от 1=0 до 3,2 км увеличивается от £кр=0,29 с до 0,5 с.

5. Величина момента обратной последовательности при двухфазном КЗ на землю в сетях высокого напряжения не превышает 6% от номинального, за счет чего несколько уменьшается запас динамической устойчивости системы электроснабжения. При этом в двигателях протекает ток обратной последовательности, равный 1,35 от номинального.

6. Однофазное КЗ в сетях высокого напряжения не является опасным по потере динамической устойчивости поскольку остаточное напряжение прямой последовательности в месте КЗ составляет UOC1>0,65 UH0M. При КЗ, близком к шинам электрической системы, в двигателях протекает ток обратной последовательности, равный ~ /НОм

7. Между фазное КЗ в сетях высокого напряжения не является опасным по потере динамической устойчивости, т.к. при КЗ, близком к шинам электрической системы, остаточное напряжение прямой последовательности в месте КЗ равно =0,5 UH0M, а остаточное напряжение на шинах ГПП больше на 19% для варианта преобладающей СД нагрузки и на 14% для варианта преобладающей АД нагрузки. При такой величине остаточного напряжения СД не успевают выпасть из синхронизма за время отключения КЗ в сетях высокого напряжения, равное 0,5 с.

8. Междуфазное КЗ в сетях среднего напряжения является опасным по потере динамической устойчивости. При КЗ, близком к шинам ГПП, остаточное напряжение прямой последовательности в месте КЗ и на выводах двигателей составляет величину t/OCT^0,5UnOM, т.е. оно меньше остаточного напряжения в первоначальный момент времени, чем при КЗ в сетях высокого напряжения, на 19% для варианта преобладающей СД нагрузки и на 14% для варианта преобладающей АД нагрузки. Это существенно снижает запас динамической устойчивости СД, поскольку перестает функционировать система возбуждения.

9. Максимальная удаленность внешнего междуфазного КЗ от цепи питания объекта в сетях среднего напряжения, при которой возможно нарушение динамической устойчивости, составляет 700 м, соответствует преобладающей АД нагрузке и мощности электрической системы, определяемой током КЗ, равным 7^)=5кА. Критическое время нарушения 1 электроснабжения при изменении удаленности от /=0 до 700 м увеличивается от /кр=0,3 с до 0,51 с. Для преобладающей СД нагрузки максимальная удаленность КЗ от цепи питания объекта составляет 200 м.

10. Величина момента обратной последовательности при междуфазном КЗ в сетях среднего напряжения может составлять до 33% от номинального, что значительно уменьшает запас динамической устойчивости системы. При этом в двигателях протекает ток обратной последовательности, равный до 3,5 от номинального.

11. При мощности трансформаторов ГПП 32MB А и расщепленной обмотке низкого напряжения при междуфазном КЗ в сетях среднего напряжения СД неповрежденной секции шин увеличивают генерируемую реактивную мощность, что значительно увеличивает запас динамической устойчивости при преобладающей СД нагрузке. Нарушение динамической устойчивости системы происходит при длительности КЗ, составило >0,5 с.

159

ГЛАВА 5

ВОПРОСЫ ОПТИМИЗАЦИИ И УСТОЙЧИВОСТИ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ОАО «АММОФОС» ПРИ РАСШИРЕНИИ ЗАВОДСКОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ.

5.1. Описание объекта исследования

Завод минеральных удобрений ОАО «Аммофос» находится в г. Череповец. Технологический процесс предприятия включает в себя три основных производства: производство минеральных удобрений, серной и фосфорной кислоты.

Электроснабжение предприятия осуществляется от ПС-500 "Череповецкая" по четырём линиям 220 кВ «Фосфат-1,2,3,4». Линии «Фосфат-1» и «Фосфат-3» питаются от 1 с.ш. РПП-500, «Фосфат-2» и «Фосфат-4» - от 2с.ш. РПП-500. Ток трехфазного короткого замыкания в режиме максимальных и минимальных нагрузок на шинах РП-500, по данным энергоснабжающей организации, составляет соответственно =24,317kA, /'33)mi„ = 8,336кА . Линии "Фосфат-1,2" принадлежат

Вологдаэнерго" и снабжают электроэнергией ГПП-1. Линии "Фосфат-3,4" принадлежат ОАО "Аммофос" и снабжают электроэнергией ГПП-3. В качестве головных трансформаторов на ГПП применяются трансформаторы с расщеплёнными обмотками низшего напряжения TPДЦН-63000/220/10/6 с первичным напряжением 220 кВ и вторичными напряжениями 10 и 6 кВ. Трансформаторы TPДЦН-63000/220/10/10, ранее питавшие ГПП-2, с целью уменьшения потерь электроэнергии выведены из работы, и нагрузки ГПП-2 переведены на ГПП-3.

Около трети всей электроэнергии, потребляемой объектами ОАО "Аммофос", вырабатывается на утилизационной ТЭЦ-1, где установлены четыре генератора типа Т2-12-2 10 кВ, два из которых подключены к шинам ГПП-1 и два - к шинам ГПП-2.

Технологический процесс чувствителен к КНЭ, в составе электроприемников высока доля потребителей первой категории.

Электропотребление предприятия имеет достаточно равномерный характер с умеренными суточными и сезонными колебаниями. Расчётное среднегодовое значение потребляемой электрической мощности составляет около 87,3 МВт.

Рост тарифов на электроэнергию, потребляемую от ОАО «Вологдаэнерго», привел к увеличению доли энергетических затрат в себестоимости продукции, а, следовательно, и себестоимости самой продукции.

На основании технического совещания, проведенного руководством ОАО «Аммофос», было принято решение о реконструкции существующей схемы электроснабжения, задачей которой является строительство второй очереди ТЭЦ предприятия, предназначенной для дополнительного производства электроэнергии посредством использования утилизационного пара и уменьшения зависимости от электрической системы.

В результате реконструкции производства серной кислоты и установки дополнительно 4-х котлов РКС - 95 произошло значительное повышение выработки утилизационного пара. Использование этого пара для выработки электроэнергии не только позволяет решить проблему лишнего пара, но и отказаться от покупки электроэнергии, а также уменьшить объем закупки природного газа.

В связи с реконструкцией существующей схемы электроснабжения возник ряд вопросов, связанных с выбором схемы присоединения заводской ТЭЦ, мощности и количества генераторов для оптимизации потоков мощности, максимального использования генерирующих мощностей, а также симметрии выдачи мощности по присоединениям, оценки устойчивости системы электроснабжения при внешних и внутренних возмущениях.

Работы выполнялись в 2002-2005 г. в рамках договоров № 2144020, № 2112040 между ОАО "Аммофос" и Московским энергетическим институтом (Техническим университетом).

5.2. Исследование вариантов электроснабжения ОАО "Аммофос" после планируемой реконструкции

Планируемая на предприятии реконструкция должна осуществляться в трёх направлениях:

- реконструкция производства серной кислоты и установка дополнительных котлов РКС-95, что приведёт к значительному повышению выработки утилизационного пара;

- строительство ТЭЦ-2 для использования пара СКП, что позволит отказаться от покупки электроэнергии у ОАО "Вологдаэнерго", уменьшить объём закупки природного газа, а также снизить долю энергетических затрат в себестоимости продукции;

- реализация ряда энергосберегающих мероприятий, которая приведёт к снижению электрических нагрузок и уменьшению расхода электроэнергии.

- повышение надежности электроснабжения ответственных электроприемников при питании предприятия от источника ограниченной мощности (собственной ТЭЦ).

Исследование вариантов схем электроснабжения проводилось на основе однолинейной схемы электроснабжения завода с существующими и проектируемыми линиями связи, с учетом состояния выключателей в нормальном режиме работы предприятия. Полная схема замещения представляет собой совокупность схем замещения отдельных элементов сети, соединенных в последовательность, соответствующую их подключению в электрической сети. Схемы замещения отдельных элементов состоят из ветвей, каждая из которых имеет свой номер и узлы подключения.

Электрическая система является обобщенным элементом и представляется источником ЭДС Есс неизменной амплитудой, фазой и частотой, приложенным за эквивалентным комплексным сопротивлением

Все РП и секции шин в РУ пронумерованы и представляют собой узлы промышленной комплексной нагрузки, к которым подключены двигатели и прочая нагрузка. Под прочей нагрузкой понимается низковольтная нагрузка цеховых трансформаторных подстанций, приведенная к узлам промышленной комплексной нагрузки и учитываемая статическими характеристиками активной и реактивной мощности в зависимости от напряжения в узле.

В схеме представлены:

193 высоковольтных АД мощностью от 250 кВт до 3200 кВт;

25 высоковольтных СД мощностью от 800 кВт до 3200 кВт;

7 турбогенераторов, 6 генераторов мощностью Р„ом=12 МВт и один мощностью Рном=36 МВт;

439 выключателей для включения и отключения двигателей и изменения режимов работы вводов.

Общее число ветвей, соответствующих элементам электрической сети, равно NB= 170.

Рассчитан нормальный установившейся режим работы предприятия при существующей выработке мощности генераторами с использованием разработанного в диссертационной работе модернизированного комплекса программ для расчета систем электроснабжения, содержащих замкнутые контуры.

На рис.5.1. представлено распределение потоков мощности в МВА между основными элементами СЭС. При этом в схеме замещения присутствует два замкнутых контура, т.к. используется параллельный режим работы генераторов. Суммарная нагрузка СЭС от ГПП-1 составляет Р£нагр=60,2 МВт. Мощность, потребляемая из электрической системы, равна Рс=43,2 МВт. Мощность, поступающая от генераторов ТЭЦ - Ртэц=18,2 МВт.

Рис.5.1. Структурная схема электроснабжения завода ОАО "АММОФОС" до реконструкции

1 rj l,28+jl,12 от ПС-ЯЮкВ "Череповецкая" РУ-220кВ

I ГПП-3

7.08+J4.31

7.55+j3.63

4+j 1.79 Fg)3.55+jl.8

ГПП-2 S

2,08+j 1,09

ОТ ПС-5(К1кВ "Череповецкая" РУ-220кВ f 3.49+J2.01 и

1.43+jl.l7

3.59+j2.28 линия связи 8

0.15+j0.05

1П ccnot» 10 (в u

ГПП-1

21.05+jl8.29l

0.25+J0.12

FV «спея* 10 iB

ЛИНИЯ связи 9

2.33+jl.21

17.8+jl5.71

22.13+j 19.56

2T , .,

7.6+j 15.61 0^14.47+jl2.3'l

13.2+j 11.17 линия связи 1

O.I6+jl.l4

ТЭЦ - 1

TJ линия связи 2

Li

0.I6+jI.09 линия связи 3

0.3-j0.72

II сеиде lOfflT

9.1+j3.3

ТГ-1

9.1+J3.9 I линия связи 4

0.52-j0.24 лтг-i

IV>nKi|H«IOrfr~^

9.25+j4.41 9.25+J4.41 8.125+j4.8 7.125+j3.4 J

APs= 1.278 ДРхсети =0.675 МВт

Суммарные потери активной мощности в СЭС (включая потери в статорных обмотках и цепи питания двигателей) составляют APs=0,998 МВт, из них суммарные потери мощности в электрической сети - АР2сети=0,563 МВт.

Суммарная нагрузка СЭС от ГПП-2,3 составляет Р1нагр=30 МВт. Мощность, потребляемая из электрической системы через ГПП-3, равна Рс= 14,6 МВт. Мощность, поступающая от генераторов ТЭЦ, - РТЭц=16,2 МВт. Суммарные потери активной мощности в СЭС составляют ДР£=0,280 МВт, из них суммарные потери мощности в электрической системе ЛРгсети=0,112 МВт.

Заключение

В диссертационной работе выполнены исследования динамической устойчивости систем электроснабжения промышленных предприятий при КНЭ и модернизация комплексов программ для расчета динамической устойчивости систем электроснабжения, содержащих замкнутые контуры. При этом получены следующие основные результаты:

1. Модернизированы комплексы программ для расчетно-экспериментальных исследований устойчивости систем электроснабжения с электродвигательной нагрузкой, имеющих в электрических сетях замкнутые контуры. При модернизации сохранена ориентация на использование уравнений узловых напряжений, выраженных через узловые сопротивления относительно узлов нагрузки NC. Все известные методы таких расчетов основаны на использовании узловых сопротивлений относительно общего числа узлов схемы замещения п, число которых в несколько раз больше узлов нагрузки. За счет этого достигается экономия времени расчета и оперативной памяти в размере (n/NC) .

2. Выбраны и обоснованы факторы, оказывающие существенное влияние на динамическую устойчивость электродвигательной нагрузки СЭС при провалах напряжения, обусловленных внешними КЗ. Основными факторами (в порядке их значимости), влияющими на критическое время нарушения электроснабжения, определяемое динамической устойчивостью, являются: характер электродвигательной нагрузки; сопротивление питающей электрической системы; удаленность внешнего КЗ от цепи питания; коэффициенты загрузки и электромеханические постоянные времени электродвигательной нагрузки.

3. Динамическая устойчивость электродвигательной нагрузки при прочих равных условиях определяется устойчивостью С Д. Нарушение динамической устойчивости АД нагрузки происходит при больших значениях времени нарушения электроснабжения, чем синхронной. При трехфазных КЗ вблизи шин питающей электрической системы и постоянном моменте сопротивления механизмов АД критическое время КЗ составляет £кр=0,8 с. При вентилятором моменте сопротивления механизмов с АД нагрузкой СЭС может быть абсолютно устойчива по отношению к трехфазным КЗ в питающей электрической системе. Однако, время восстановления нормального режима после отключения КЗ составляет десятки секунд и АД отключаются защитой минимального напряжения или от перегрузки. Это является распространенной причиной аварийных остановов технологических процессов непрерывных производств.

4. В системах электроснабжения со смешанной электродвигательной нагрузкой при провалах напряжения, вызванных внешними трехфазными КЗ, возможны следующие режимы: а) все СД и АД сохраняют динамическую устойчивость (гкр=0,14-Ю,2 с); б) АД сохраняет динамическую устойчивость, а часть СД выпадает из синхронизма (/кр=0,21-Ю,8 с). После нескольких проворотов ротора эти СД могут самосинхронизоваться; в) происходит нарушение динамической устойчивости всех СД и АД (fKp>0,8 с).

5. Максимальная удаленность внешнего трехфазного КЗ от цепи питания объекта в электрических сетях высокого напряжения, при которой возможно нарушение динамической устойчивости, составляет /кр=11 км (сопротивление электрической системы определяется током трехфазного КЗ на шинах /кз=5 кА). Критическое время длительности КЗ при изменении удаленности от /=0 до 11 км увеличивается от /кр=0,14 до 0,51 с. При увеличении мощности электрической системы (7^=30 кА) - /кр=3 км.

6. При трехфазных КЗ вблизи шин ГПП при напряжении С/ном:=6(10) кВ минимальное критическое время КЗ для СД составляет /кр=0,11-0,19 с, что меньше времени при КЗ в питающих сетях при прочих равных условиях. В системах электроснабжения со смешанной электродвигательной нагрузкой при провалах напряжения, вызванных внешними трехфазными КЗ в сетях среднего напряжения, возможны следующие режимы: а) все СД и АД сохраняют динамическую устойчивость (*кр=0,11-Ю,19 с); б) АД сохраняют динамическую устойчивость, а часть СД выпадает из синхронизма (/Кр=0,2-Ю,27 с); в) происходит нарушение динамической устойчивости всех СДи АД(гкр>0,76 с).

7. Максимальная удаленность внешнего трехфазного КЗ в электрических сетях напряжением £УНОМ=6(10) кВ от цепи питания объекта, при которой возможно нарушение динамической устойчивости, составляет 2 км. Критическое время длительности КЗ при изменении удаленности от /=0 до 2 км увеличивается от *кр=0,11 с до 0,28 с. При удалении места КЗ от цепи питания длительность критического времени нарушения электроснабжения вначале уменьшается за счет генераторного (тормозного) момента двигателей, обусловленного активным сопротивлением цепи КЗ.

8. Длительность критического времени нарушения электроснабжения при трехфазном КЗ в электрических сетях напряжением £/ном=6(10) кВ практически не зависит от сопротивления питающей электрической системы, но существенно зависит от длин питающих линий. Влияние длины питающих линий и сопротивления электрической системы увеличивается при удалении места КЗ от шин ГПП.

9. При двухфазном КЗ на землю вблизи шин электрической системы критическое время нарушения электроснабжения составляет /кр=0,25-0,3 с, что в 1,5 -1,6 раз больше критического времени при трехфазном КЗ и прочих равных условиях.

10. Максимальная удаленность внешнего двухфазного КЗ на землю от цепи питания объекта в электрической сети £/ном>110 кВ, при которой возможно нарушение динамической устойчивости, составляет 3,2 км при преобладающей АД нагрузке и мощности электрической системы, определяемой током КЗ 1®= 5кА. Критическое время нарушения электроснабжения при изменении удаленности от 1=0 до 3,2 км увеличивается от tKр=0,29 с до 0,5 с.

11. При мощности электрической системы, определяемой током КЗ 1$>5- кА, уменьшение тока однофазного КЗ на шинах электрической системы в два раза по сравнению током трехфазного КЗ приводит к увеличению остаточного напряжения прямой последовательности на шинах электрической системы на 11% от UH0M. Остаточное напряжение прямой последовательности на шинах ГПП при этом увеличивается на 6% от С/ном, что повышает запас динамической устойчивости системы. Критическое время нарушения электроснабжения в этом случае составляет /кр=0,38-0,6 с.

12. Величина момента обратной последовательности при двухфазном КЗ на землю в сетях высокого напряжения не превышает 6% от номинального, что незначительно снижает запас динамической устойчивости системы из-за несимметрии в месте КЗ. При этом в двигателях протекают токи обратной последовательности, составляющие до 1,35 от номинального.

13. При однофазном КЗ в сетях с {Уном>110 кВ напряжение прямой последовательности в месте КЗ составляет 70% UHQM, и поэтому нарушение динамической устойчивости не происходит. При КЗ, близком к шинам электрической системы, в двигателях протекает ток обратной последовательности, равный /ном.

14. При междуфазном КЗ в сетях высокого напряжения близком к шинам электрической системы, остаточное напряжение прямой последовательности в месте КЗ составляет ~0,5 UH0M, а остаточное напряжение на шинах ГПП больше на 19% для варианта с преобладающей СД нагрузки и на 14% для варианта с преобладающей АД нагрузки. При такой величине напряжения СД не успевают выпасть из синхронизма за время отключения КЗ в сетях высокого напряжения, равное 0,5 с.

15. Максимальная удаленность внешнего междуфазного КЗ от цепи питания объекта в сетях среднего напряжения, при которой возможно нарушение динамической устойчивости, составляет 700 м и соответствует преобладающей АД нагрузке и мощности электрической системы, определяемой током КЗ /^=5кА. Критическое время нарушения электроснабжения при изменении удаленности от /=0 до 700 м увеличивается от *кр=0,3 с до 0,51 с. Для преобладающей СД нагрузки максимальная удаленность междуфазного КЗ от цепи питания объекта составляет 200 м.

16. При увеличении мощности трансформаторов ГПП в два раза (а, следовательно, и мощности электродвигательной нагрузки) запас динамической устойчивости системы электроснабжения при внешних КЗ в сетях высокого напряжения не изменяется при использовании расщепления обмоток низкого напряжения, поскольку в этом случае суммарное сопротивление цепи питания до каждой из секции шин распределительных устройств практически не меняется.

При КЗ в сетях среднего напряжения с трансформаторами ГПП с расщепленной обмоткой напряжение на неповрежденной секции шин остается на уровне не ниже 0,85 £/ном. СД неповрежденной секции шин увеличивают генерируемую реактивную мощность, что значительно повышает запас динамической устойчивости для варианта с преобладающей СД нагрузкой.

17. Модернизированный программный комплекс и методическое обеспечение расчетов устойчивости были использованы при решении задачи выбора главной схемы утилизационной ТЭЦ, веденной в эксплуатацию в 2004-2005 г.г. на заводе «Аммофос». Проведенные работы позволили разработать схему электроснабжения завода выполненную с учетом оптимального режима работы, максимального использования генерирующих мощностей. Совпадение расчетных нагрузок и полученных с завода после реконструкции, подтвердило адекватность предлагаемых моделей расчета параметров электрической сети с учетом замкнутых контуров.

1. А. с. 1046844. Устройство для автоматического включения резервного питания потребителей. Стальная М.И;, Банкин С.А., Богатырев Л.Л., Шевляков Э.Ф. Опубл. в Б.И. 1983, № 37.

2. А. с. 1304126. Пусковое устройство автоматического включения резервного питания потребителей / С.И. Гамазин, Д.И. Степанов, С.И. Вершинина, П.В. Гугучкин//Открытия. Изобретения. -1987. № 14. -156 с.

3. А. с. 8777110. Устройство для автоматического включения резервного питания потребителей для подстанций с двигательной нагрузкой. В.Ф. Сивокобыленко, А.В. Гребченко. Опубл. в Б.И., 1981, № 40.

4. Андреев В.А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения. 3-е изд.перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1991.

5. Барзам А.Б. Системная автоматика.- 4-е изд.- М. Энергоатомиздат, 1989.

6. Барзам А.Б. Допустимое время отключения коротких замыканий в системах электроснабжения предприятий с непрерывной технологией. // Промышленная энергетика, 1977, №4. С.31-33.

7. Барзам А.Б. О системах питания синхронных двигателей ответственных механизмов. // Промышленная энергетика. 1973. №2.

8. Вагнер К.Ф. Эванс Р.Д. Метод симметричных составляющих. -Л.: ОНТИ НКТП СССР. 1936. - 407 с.

9. Веников В.А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах. М. Высшая школа. 1985.

10. Ю.Веников В.А. Строев В.А. Электрические системы и электрические сети. М.: Высшая школа. - 1998. - 512 с.

11. Влах И., Сингхал К. Машинные методы анализа и проектирования электрических сетей: Пер. с англ. М : Радио и связь, 1988.

12. Влияние заводских ТЭЦ на характеристики кратковременных нарушений электроснабжения в узлах нагрузки. В.В.Прокопчик. Ю.Д.Головач, В.В.Довгаль. // Электрика 2002. №9. С.37-43.

13. Н.Галицын А. А. Один из способов повышения динамической устойчивости электродвигателей. Машины и нефтяное оборудование. 1978. №1.

14. Галицын А.А. Способ ускорения АВР ответственной нагрузки // Промышленная энергетика. 1971. - №1. - с. 48-51.

15. Галицын А.А., Задернюк А.Ф. Опережающее АВР на подстанциях магистральных нефтепроводов // Промышленная энергетика. 1986. -№ 8. - с. 33-36.

16. Гамазин С.И., Понаровкин Д.Б., Цырук С.А., Вершинина С.И., Степанов Д.И., Савзиханов Р.К., Шеховцев В .П., Кузьмин Н.М., Карпов В.И. Повышение эффективности пускового органа быстродействующего устройства АВР.// Промышленная энергетика, 1992, №4.

17. Гамазйн С.И., Буре И.Г. Промышленное электроснабжение. М.: МЭИ. - 1987. - 164 с.

18. Гамазин С.И., Семичевский П.И. Переходные процессы в системах промышленного электроснабжения с электродвигательной нагрузкой. -М.: МЭИ. 1985.-246 с.

19. Гамазин С.И., Ставцев В.А., Цырук С.А. Переходные процессы в системах промышленного электроснабжения, обусловленные электродвигательной нагрузкой. -М.: МЭИ, 1997. -421 с.

20. Гамазин С.И., Тиджиев М.О. , Васильев Е.И. Целесообразные режимы работы вводов на различных уровнях системы электроснабжения. Промышленная энергетика 2004. №3. С. 17-24.

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

22. Гамазин С.И, Цырук С. А., Понаровкин Д.Б. Автоматизация расчетно-экспериментальных исследований переходных процессов, обусловленных электродвигательной нагрузкой. // Промышленная энергетика. 1995. №7. С. 15-20.

23. Гераскин О.Т. Обобщенные параметры электрических сетей. М.Энергия,1977.-112 с.

24. Гераскин О.Т. Формирование матрицы связи контуров графа электрической сети на на ЭЦВМ. «Труды МЭИ», 1974, вып.178, С.74 -79.

25. Голоднов Ю.М. Самозапуск электродвигателей. 2-е изд. М. Энергоатомиздат, 1985. -136 с.

26. Голоднов Ю.М., Хоренян А.Х. Самозапуск электродвигателей.-М. Энергия ,1974.

27. Горев А.А. Переходные процессы в синхронных машинах. Л.: Наука, 1985.

28. ГОСТ 27514-87. Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета в электроустановках переменного тока напряжением свыше 1 кВ:

29. ГОСТ 28249-89. Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета в электроустановках переменного тока напряжением до 1кВ.

30. Гук Ю. Б. Анализ надежности электроустановок. //М. Энергоатомиздат, 1974.

31. Гуревич Ю.Е., Либова Л.Е, Копытов Ю.В., Тубинис В.В. Предотвращение нарушений работы промышленных предприятий при кратковременных перерывах электроснабжения. // Электричество, 1990, №1. С.22-25.

32. Гуревич Ю.Е., Либова Л.Е., Окин А.А. Расчеты устойчивости и противоаварийной автоматики в энергосистемах. М.: Энергоатомиздат, 1990 г.

33. Гуревич Ю.Е., Файбасович Д.Л., Хвощинская З.Г. Особенности электроснабжения промышленных предприятий с непрерывными технологическими процессами.// Электричество, 1990, №1. С.22-25.

34. Демирчан К.С., Бутырин П.А. Моделирование и машинный расчет электрических цепей. -М.: Энергоатомиздат, 1988.

35. Ермилов А.А. Основы электроснабжения промышленных предприятий. 2-изд. М.: «Энергия», 1969. - 304 с.

36. Ершов М.С., Егоров А.В. Вопросы повышения устойчивости электрической нагрузки промышленных систем электроснабжения. // Промышленная энергетика, 1994, №3 С. 24-27.

37. Ершов М.С., Егоров А.В., Федоров В.А. Некоторые вопросы повышения устойчивости электроприемников многомашинного комплекса с непрерывным технологическим процессом при возмущениях в системе электроснабжения. // Промышленная энергетика, 1992,№7.

38. Ершов М.С., Егоров А.В., Яценко Д.Е. О влиянии параметров энергосистемы на устойчивость узлов электрической нагрузки промышленных предприятий. // Промышленная энергетика, 1997, №5. С.26-28.

39. Заводские ТЭЦ как независимые источники питания предприятий.

40. B.В.Прокопчик, Ю.Д.Головач.// Электрика 2001. №1. G.11-17.

41. Идельчик В.И. Расчеты и оптимизация режимов электрических сетей и систем. М.: Энергоатомиздат, 1990.

42. Идельчик В.И. Электрические системы и сети: Учебник для вузов. -Энергоатомиздат, 1989.

43. Исследование провалов напряжения в электрических сетях до 1 кВ.

44. C.И. Гамазин, С.А. Цырук, О.А.Наумов.// Промышленная энергетика. 1995 .№11. С. 12-20.

45. Кудрин Б.И. Электроснабжение промышленных предприятий. -М.: Энергоатомиздат, 2005. -670 с.

46. Мельников Н.А. Матричный метод анализа электрических цепей. М.: Энергия, 1966.-232 с.

47. Михайлов В.В. Надежность и качество электроснабжения промышленных предприятий. М.Энергоиздат, 1982. -152 с.

48. Неклепаев Б.Н. Электрическая часть электростанций. М.: Энергия, 1986.

49. В.Бартеньев. Современный Фортран. 2 -е изд., испр. - М.: «Диалог- МИФИ», 1998. - 397 с.

50. Повышение эффективности пускового органа быстродействующего АВР. С.И. Гамазин, Д.Б. Понаровкин, С. А. Цырук и др. // Промышленная энергетика. 1992. №4. С. 18-21.

51. Повышение эффективности пускового органа быстродействующего АВР. С.И. Гамазин, Д.Б. Понаровкин, С. А. Цырук и др. // Промышленная энергетика. 1992. №4. С. 18-21.

52. Правила устройства электроустановок (ПУЭ). Издание 6-е переработанное и дополненное с изменениями. -М.: Энергоатомиздат, 1998.-608 с.

53. Применение аналоговых вычислительных машин в энергетических системах. / Под ред. Н.И.Соколова. М.: Энергия. - 1970. - 290 с.

54. Прокопчик В.В., Широков О.Г. О необходимости изменения требований к электроснабжению предприятий с непрерывным технологическим процессом // Изв. вузов и энергетических объединении СНГ. Энергетика. 1999 г. №1. С.51-57.

55. Расчет электрических цепей на ЭВМ / М.Г. Александров, А.Н.Беляев, В.В. Брюнкер и др. М.: Высшая школа, 1983.

56. Рекомендации по комплексному решению проблем повышения надежности электроснабжения производств с непрерывным технологическим процессом. Горький, 1977. 147 с.

57. Рубашов Г.М., Кац Р.З., Чиканков Д.В. Быстродействующее устройство АВР в сетях 6 кВ на тиристорном секционном выключателе // Промышленная энергетика. 1984. - № 12. - с. 14-16.

58. Слодарж М.И. Режимы работы, релейная защита и автоматика синхронных электродвигателей.- .; Энергия, 1977.

59. Справочник по проектированию электроснабжения / Под ред. Ю.Г.Барыбина и др. -М.: Энергоатомиздат, 1990 г.

60. Схемотехнические решения для снижения влияния кратковременных нарушений электроснабжения. А.Р.Адамович, А.Ю.Коваленко, Н.А.Николаев, В.Б.Славгородский.// Электрика 2004. №1. С. 8-13.

61. Сыромятников И.А. Режимы работы асинхронных и синхронных двигателей. 4-е изд. Г Под ред. Л.Г. Мамиконянца. - М.: Энергоатомиздат, 1984.

62. Технические проблемы применения малой электростанции в системе электроснабжения предприятия. В.С.Фишман. // Промышленная энергетика. 1998.№7. С. 24-27.

63. Тиджиев М.О. Повышение устойчивости технологических процессов непрерывных производств при кратковременных нарушениях электроснабжения // Всероссийская научно-техническая конференция

64. Электропотребление, энергосбережение, электрооборудование». Тез. докл. Оренбург, 2003. - С.28-29.

65. Ульянов С.А. Электромагнитные переходные процессы. -М.: Энергия, 1970.-519 с.

66. Федоров А. А. Каменева В.В. Основы электроснабжения промышленных предприятий. М.: Энергия. - 1984. - 408 с.

67. Шабад М.А. Автоматизация распределительных электрических сетей с использованием цифровых реле. М.: НТФ «Энергопрогресс». 2000. 68 с.

68. Шидловский А. К. Музыченко А. Д. Таблицы симметричных составляющих. Киев: Наукова думка. - 1976. - 204 с.

69. Exide electronics. Catalog, 1996.

70. Lorna Sharpe, When downtime is disaster, IEE REVIEW, November 2001, vol 47, N6. P. 19-22

71. McCauley T.M. Disturbance dependent electromechanical equivalent for transient stability studies // IEEE Power Eng. Soc. Conf., N.Y., 1975 years.

72. Park R. Two-reaction theory of synchronous machines. // AEE Trans., 1929, Vol.48.