автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Защита электроприёмников металлургических предприятий от провалов напряжения в системе электроснабжения с помощью электроприводов

На правах рукописи

Басов Павел Михайлович

ЗАЩИТА ЭЛЕКТРОПРИЁМНИКОВ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРЕДПРИЯТИЙ ОТ ПРОВАЛОВ НАПРЯЖЕНИЯ В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

Специальность 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 С - * ( V .Т-")

Липецк - 2012

005016782

005016782

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Теличко Леонид Яковлевич

Официальные оппонента:

Литвиненко Александр Михайлович — доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», профессор кафедры «Электропривод, автоматика и управление в технических системах»

Благодаров Дмитрий Анатольевич - кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО Национальный исследовательский университет «МЭИ», доцент кафедры «Автоматизированный электропривод»

Ведущая организация ООО «Промэлектроника» г. Липецк

Защита диссертации состоится 08 июня 2012 г. в 1230 на заседании диссертационного совета Д 212.108.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет» по адресу: 398600, г. Липецк, Московская 30, административный корпус, ауд. 601.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет».

Автореферат разослан « 27 » апреля 2012 г.

В.И. Бойчевский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В последние десятилетия активным образом происходит повышение степени автоматизации технологических процессов на металлургических предприятиях. В этой связи всё большую долю среди потребителей электроэнергии на металлургических предприятиях занимают устройства на базе силовой электроники (частотно-регулируемые привода, тиристорные преобразователи и т.п.), а также микропроцессорной техники (промышленные контроллеры, устройства релейной защиты и автоматики, системы телемеханики и учёта электроэнергии), предъявляющие повышенные требования к качеству электроэнергии и электромагнитной совместимости.

В силу конструктивных и схемных особенностей данные потребители реагируют на кратковременные нарушения электроснабжения (КНЭ) длительностью порядка нескольких десятых секунды. Классические устройства автоматического включения резерва (АВР) и автоматического повторного включения (АПВ), предназначенные для восстановления питания потребителей, имеют время срабатывания порядка нескольких секунд. В результате при провалах напряжения нарушается работа чувствительных потребителей.

Вследствие нарушения работы отдельных чувствительных элементов происходят сбои в работе технологических агрегатов с высокой степенью автоматизации. Нарушение условий технологического процесса приводит к браку и недоотпуску продукции. В отдельных случаях возможно повреждение данных в системе автоматического управления технологическим процессом (АСУ ТП), что может привести к крупным авариям и повреждению дорогостоящего оборудования.

В связи с вышеперечисленным весьма актуальными являются вопросы повышения надёжности электроснабжения ответственных потребителей металлургических предприятий за счёт мер по защите от провалов напряжения, вызванных повреждениями в распределительной сети.

Целью работы является определение зависимости характера провала напряжения от параметров электрической сети, выявление критериев безотказной работы электроприёмников металлургических предприятий и разработка схемотехнических решений по обеспечению снижения влияния провалов напряжения на работу потребителей.

Идея работы заключается в применении электроприводов для защиты электроприёмников металлургических предприятий путём преобразования запасённой кинетической энергии в электрическую, что обеспечивает поддержа-

ние остаточного напряжения на шинах чувствительных потребителей в изолированной системе «компенсатор-потребитель» и обосновании требуемых параметров системы.

Задачи работы:

- анализ схем электроснабжения металлургических предприятий и статистических данных по нарушению работы технологических агрегатов из-за провалов напряжения;

- сравнительный анализ схемотехнических решений по защите потребителей от провалов напряжения и разработка рекомендаций по их выбору в зависимости от особенностей схемы электроснабжения;

- разработка математической модели и методики эксперимента, позволяющей исследовать влияние параметров системы электроснабжения на глубину и распространение провалов напряжения в электрических сетях;

- составление классификации потребителей электроэнергии по степени чувствительности к провалам напряжения и разработка рекомендаций по проектированию электрических сетей с целью снижения влияния провалов напряжения на различные группы потребителей;

- разработка математической модели и методики эксперимента, позволяющей исследовать способ компенсации провалов напряжения с помощью преобразования запасённой кинетической энергии электропривода в электрическую и определение требуемых параметров системы «компенсатор-потребитель»;

- разработка логической схемы управления системой «компенсатор-потребитель», обеспечивающей защиту от провалов напряжения на время работы противоаварийной автоматики.

Научная новизна:

- разработана математическая модель и методика эксперимента, отличающаяся от аналогичных упрощённым представлением внешней сети электроснабжения, что позволяет за небольшое время с инженерной точностью производить большое число расчётов остаточных напряжений в различных точках сети напряжением 110/10/0,4 кВ системы электроснабжения металлургических предприятий с учётом подпитки от двигателей среднего и низкого напряжения;

- предложена классификация потребителей электроэнергии металлургических предприятий по степени чувствительности к провалам напряжения, отличающаяся тем, что различные типы потребителей разделены на три степени чувствительности к провалам напряжения, что позволяет производить оценку требований к качеству электроснабжения на уровне подстанций;

- предложен новый системный подход к выбору технических решений по повышению устойчивости технологического процесса при кратковременных нарушениях электроснабжения, отличающийся от аналогичных сравнительным анализом достоинств и недостатков, а также результатов совместного применения технических решений на различных уровнях системы электроснабжения;

- разработан способ защиты электроприёмников металлургических предприятий от провалов напряжения в системе электроснабжения с помощью электроприводов, отличающийся тем, что на время провала общие шины питания двигателя и потребителей отключаются от внешней сети, что позволяет поддерживать уровень остаточного напряжения на общих шинах в течение времени ликвидации повреждения устройствами релейной защиты и автоматики;

- разработана схема управления устройством по защите потребителей от провалов напряжения с помощью запасённой кинетической энергии синхронного электродвигателя привода с большим моментом инерции, отличающаяся тем, что используется комплексное условие синхронизации по допустимому сверхпереходному току двигателя в момент включения, а также компенсация времени включения выключателя, учитывающая текущую скорость двигателя.

Практическая ценность состоит в том, что разработанный способ защиты электроприёмников металлургических предприятий от провалов напряжения в системе электроснабжения с помощью электроприводов позволяет поддерживать уровень остаточного напряжения на шинах чувствительных потребителей на время ликвидации повреждения устройствами релейной защиты и автоматики. Получены универсальные кривые, позволяющие подобрать требуемые параметры электропривода. Разработана схема управления устройством защиты потребителей от провалов напряжения с помощью синхронного электропривода, обеспечивающая реакцию на провал напряжения в сети внешнего электроснабжения и автоматическое повторное включение с контролем синхронизма по восстановлении питания.

Методы и объёмы исследования. В работе использовались методы математического моделирования, математической статистики и инженерного эксперимента. Теоретические изыскания производились на базе аналитической теории синхронной и асинхронной машины, теории электрических сетей и сопровождались разработкой математических моделей. При проведении расчётов и моделирования на ЭВМ использовался программный пакет МАТЬАВ 112010а, а также входящее в его состав средство визуального программирования БШиЫЫК.

Достоверность результатов и выводов подтверждена формулировкой задач исследования, исходя из анализа электрических режимов подстанций металлургических предприятий, использованием положений теории электрических сетей, математическим обоснованием созданных зависимостей и разработанных моделей, сопоставимостью результатов моделирования с результатами расчётов и экспериментальными данными, полученными в производственных условиях ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат».

Реализация работы. Научные и практические результаты диссертационной работы внедрены в качестве рекомендаций при проведении перспективных разработок в цехах ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат». Разработки внедрены в учебный процесс ЛГТУ по специальности «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» при выполнении лабораторных работ по дисциплине «Релейная защита и автоматика».

Апробация работы. Положения в диссертации докладывались и подробно обсуждались на VII всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике» (Чебоксары, 2010); III международной научной заочной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии» (Липецк, 2011) и IX международной научно-практической интернет-конференции «Энерго- и ресурсосбережение — XXI век» (Орёл, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано шесть печатных работ, из них две в журнале, рекомендованном ВАК РФ.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка использованной литературы и 3 приложений. Общий объём диссертации — 182 е., в том числе 168 с. основного текста, 42 рисунка, 19 таблиц, библиографический список литературы 101 наименование на 9 с и 3 приложения на 14 с.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы, отмечена научная новизна и практическая ценность результатов исследований, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертационной работы проведен анализ многочисленных публикаций, посвященных исследованиям влияния провалов напряжения в системе электроснабжения на работу электроприёмников металлургических предприятий, произведен анализ особенностей схем электроснабжения метал-

лургических предприятий и статистики отключения потребителей вследствие провалов напряжения.

Согласно ГОСТ 13109-97 провал напряжения - это внезапное понижение напряжения в точке электрической сети ниже 0,9-инОм> за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня через промежуток времени от десяти миллисекунд до нескольких десятков секунд. Провалы характеризуются длительностью, глубиной и частотой. Однако нормируемым параметром является только длительность провала напряжения: электрических сетях напряжением до 20 кВ включительно она не должна превышать 30 с. Это обусловлено случайно-вероятностным характером возникновения провалов напряжения. Многие потребители электроэнергии металлургических предприятий чувствительны к провалам напряжения глубиной уже 1520% от номинального и длительностью 0,1-0,2 с. Такими потребителями являются тиристорные преобразователи, промышленные контроллеры, микропроцессорные устройства релейной защиты и автоматики, цепи контрольно-измерительных приборов, автоматики и управления электроприводами. Кроме того, глубокие провалы напряжения нарушают работу электродвигателей нерегулируемых приводов и затрудняют самозапуск по восстановлении питания.

Основной причиной провалов напряжения в распределительных сетях металлургических предприятий являются повреждения в воздушных линиях напряжением 110-220 кВ, поскольку они как правило, находятся на открытом воздухе, подвержены всем видам атмосферных воздействий и более предрасположены к возникновению коротких замыканий (КЗ). Время срабатывания устройств релейной защиты и автоматики зачастую не позволяет обеспечить бесперебойную работу чувствительных потребителей при провалах напряжения, что приводит к нарушению технологических процессов, браку и недоот-пуску продукции, нанося экономический ущерб предприятию.

Ряд исследований посвящён анализу распространения провалов напряжения в электрических сетях и способам снижения их влияния путём оптимизации системы электроснабжения. Исследования проводятся как на основе анализа статистических данных по провалам напряжения, собираемым на предприятиях, так и с помощью специализированных компьютерных программ, позволяющих производить расчёт остаточных напряжений в системе электроснабжения.

Для защиты от провалов напряжения предлагаются различные технические решения. Однако все предлагаемые на данный момент способы снижения влияния провалов напряжения на работу электроприёмников имеют определён-

ные недостатки, ограничивающие их применимость. В то же время на металлургических предприятиях установлено большое количество синхронных и асинхронных двигателей, которые представляют возможность использования их в качестве компенсаторов провалов напряжения за счёт перехода в генераторный режим и преобразования запасённой кинетической энергии в электрическую. В связи с недостаточной освещённостью данная тема требует дополнительного исследования.

Для анализа особенностей влияния провалов напряжения на работу потребителей металлургических предприятий использовалась статистика отключений агрегатов Производства холодного проката и покрытий ОАО «НЛМК». Согласно этим данным ежегодно происходит около 20 отключений из-за провалов напряжения. Анализ статистических данных позволил определить распределение вероятностей простоев агрегатов из-за провалов напряжения по длительности и уровню напряжения, на котором произошло повреждение.

Результаты анализа статистических данных показали, что лишь 25% провалов напряжения происходят в результате повреждений в местной сети среднего напряжения. 50% провалов напряжения вызвано повреждениями в сети 110 кВ, так как эти сети являются протяжёнными и вместе с тем недостаточно электрически удалёнными от потребителей. Длительность простоя агрегатов из-за провалов напряжения, как правило, не превышает 1-2 часов. Примерно в 10% случаев провал напряжения вызывает серьёзное нарушение работы агрегата, ликвидация которого занимает более 5 часов. Чуть менее чем в 50% случаев суммарная длительность простоев не превышает двух часов. Обычно такие простои мало влияют на выполнение плана по производству продукции, но, тем не менее, влекут за собой экономический ущерб. В 30% случаев суммарная длительность простоев значительно превышает 5 часов, что ведёт за собой серьёзный недоотпуск продукции и значительный экономический ущерб.

Для унификации подхода к выбору мероприятий по защите от провалов напряжения в работе были предложены рекомендации по выбору конкретных решений с учётом числа, мощности, расположения чувствительных потребителей и специфики нагрузки на питающих подстанциях. Эти рекомендации применимы на стадии предварительных предпроектных проработок мероприятий по снижению влияния провалов напряжения на работу ответственных потребителей металлургических предприятий.

Во второй главе в программе визуального моделирования МаОаЬ ЯшиПпк проведены исследования влияния параметров системы электроснабжения на величину остаточных напряжений при провале. Для этой цели была составлена

модель участка сети напряжением 110/10/0,4 кВ, содержащая источник питания, воздушные и кабельные линии, трансформаторы и эквивалентную нагрузку. При исследовании моделировалось короткое замыкание на одной из параллельных линий напряжением 110 кВ и измерялись остаточные напряжения для потребителей на различных уровнях напряжения.

Для унификации результатов исследования и более широкой их применимости в работе предложена классификация потребителей электроэнергии металлургических предприятий по степени их чувствительности к провалам напряжения. К третьей степени чувствительности отнесены двигатели нерегулируемых электроприводов, которые допускают провал напряжения до величины 60-65% от номинального. Ко второй степени чувствительности отнесены релейно-контакторные схемы управления электроприводами с допустимым уровнем остаточного напряжения 70-75%. К первой степени чувствительности отнесены тиристорные преобразователи и микропроцессорные устройства управления, контроля и защиты с допустимым уровнем остаточного напряжения 80-85%. К особой степени чувствительности отнесены сложные агрегаты, технологические защиты которых срабатывают при снижении напряжения до 90% от номинального.

Проведённые исследования показали следующее. Трёхфазные КЗ на питающих линиях распределительной подстанции 110 кВ (длина линии составляет в среднем 5-8 км) вызывают провал напряжения, достаточный для нарушения работы большинства оборудования. Повреждения на питающих и отходящих линиях смежных подстанций (суммарное расстояние до места повреждения составляет 10-20 км) вызывают провалы напряжения глубиной 20-40% в зависимости от мощности системы. Повреждения на отдалённых подстанциях напряжением 110 кВ (свыше 20 км) вызывают провалы напряжения глубиной 10-20% даже при весьма большой мощности короткого замыкания. На основе проведённых экспериментов получены кривые зависимости остаточных напряжений при провале, вызванном трёхфазным КЗ, от мощности системы электроснабжения и удалённости места повреждения (рис.1).

При исследовании провалов напряжения, вызванных однофазными короткими замыканиями, показано, что схема соединения обмоток трансформаторов 10/0,4 кВ влияет на то, какое из напряжений у потребителей окажется наименьшим. При схеме соединения У/У„-0 наименьшим оказывается линейное напряжения иса. При схеме соединения Д /Ун-11 - фазное напряжение Ц,. В целом можно отметить, что однофазные КЗ вызывают провалы напряжения значительно меньшей глубины, чем трёхфазные.

1к=50 кА 1к=45кА 1к=40 кА 1к=35 к А 1к=30 кА 1к=25 кА 1к=20 кА 1к=15 к А 1к=10кА

Рис.1. Кривые зависимости остаточных напряжений при провале от мощности короткого замыкания и удалённости места повреждения

Далее в работе было проведено исследование влияния двигательной нагрузки на подстанциях на величину остаточного напряжения. Двигатель во время короткого замыкания может быть представлен в виде эквивалентного источника энергии, ЭДС которого определяется по формуле

Е'-^ДЦо) •СО8Ф(0))2+(и(0) -этср^ -1(0,х")2>

где и(о) — напряжение на выводах двигателя в момент времени, предшествующий повреждению; 1(0} - ток двигателя; ф(0) - коэффициент мощности; х" -сверхпереходное индуктивное сопротивление обмоток двигателя.

Исследования показали, что наличие двигательной нагрузки повышает величину остаточного, напряжения на подстанции на 5-15%. Эффект увеличивается с электрической удалённостью шин подстанции от места повреждения. Двигатель достаточной мощности способен полностью компенсировать провал напряжения для близлежащих потребителей при значительном электрическом удалении общих шин питания от системы электроснабжения. В работе предла-

гается использовать для защиты потребителей металлургических предприятий от провалов напряжения электрический двигатель с высоким моментом инерции. Двигатель и потребители, питающиеся от общих шин, на время провала напряжения предлагается отключать от системы электроснабжения, образуя изолированную электромеханическую систему «компенсатор-потребитель».

В третьей главе исследована возможность применения действующих на производстве синхронных и асинхронных электродвигателей для защиты потребителей металлургических предприятий от провалов напряжения.

Для исследования была составлена математическая модель участка сети с системой «компенсатор-потребитель» на основе асинхронного и синхронного двигателя, состоящая из двигателя, эквивалентной электрической нагрузки и общих шин питания. Измерялось остаточное напряжение после отключения системы «компенсатор-потребитель» от сети при измерении параметров системы: отношение мощности потребителей к мощности двигателя (к„), коэффициента его загрузки (1с3) и момента инерции привода мощности двигателя В результате исследования получены универсальные кривые (рис.2, 3) зависимости остаточного напряжения на шинах от параметров системы. Полученные результаты показали, что для работы асинхронного электропривода в режиме компенсации провалов напряжения требуется наличие источника реактивной мощности на секции. В этом случае двигатель может поддерживать требуемый уровень остаточного напряжения на шинах потребителей 2-3 степени чувствительности на время работы основных ступеней релейной защиты (до 1 с).

Рис.2. Кривые зависимости остаточного напряжения от момента инерции синхронного электропривода и времени провала

Рис.3. Графики зависимостей остаточного напряжения от момента инерции привода, коэффициента мощности потребителей (кп) и коэффициента загрузки (к3) для асинхронного электропривода (а, б) и

синхронного электропривода (в, г)

Кроме того, результаты исследования показывают, что компенсация реактивной мощности может применяться на шинах подстанций с ответственной двигательной нагрузкой для облегчения режима самозапуска при кратковременных нарушениях электроснабжения.

На основании исследований были определены характеристики системы «компенсатор-потребитель», позволяющей при работе синхронного электропривода в режиме компенсации провалов напряжения добиться поддержания достаточного уровня остаточного напряжения для бесперебойной работы чувствительных потребителей на время работы АВР (до 3-4с). Для повышения эффективности под держания остаточного напряжения требуется применение фор-сировки возбуждения синхронного двигателя. В ходе серии экспериментов было установлено, что наибольший эффект при отсутствии перенапряжений даёт закон управления

=(к-1 + А)-1Гн, (!)

где 1(н — номинальный ток возбуждения, А; к — коэффициент закона управления возбуждением; г - время, отсчитываемое с начального момента провала, с; А - кратность форсировки в начальный момент провала.

Коэффициенты уравнения (1) подбирались в ходе серии экспериментов для следующего набора характеристик системы «компенсатор-потребитель»: кп=0,5; к3=0,5; 1г=40-1„Лв. Результаты подбора кратности форсировки возбуждения в начальный момент провала (А) представлены в таблице 1. Результаты подбора величины коэффициента закона управления возбуждением (к) представлены на рис.4.

Таблица 1

Зависимость остаточного напряжения синхронного электропривода от

кратности форсировки возбуждения

1Л„ 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25 2,5

и0ст,% 0,75 0,83 0,91 0,98 1,07 1,14 1,23

Опытным путём был установлен оптимальный закон управления возбуждением синхронного двигателя во время провала напряжения, позволяющий максимизировать эффективность компенсации провала без перенапряжений

I, =(0,4-1 + 2)-!,

Рис.4 Графики зависимости величины остаточного напряжения от коэффициента закона управления возбуждением

В четвертой главе разработана схема управления системой «компенсатор-потребитель» и предложено устройство для защиты потребителей электроэнергии от провалов напряжения на базе синхронного электропривода.

С применением синхронного электродвигателя возникает проблема в необходимости синхронизации двигателя с сетью при повторном включении, обусловленная высокой остаточной ЭДС двигателя в момент синхронизации. При включении двигателя в сеть возникает сверхпереходной ток

*с+Х"с1

Е * со

где Едпр = ——- приведённая ЭДС двигателя, В; ис - фазное напряжение сети, В; 5 - угол между векторами напряжения сети и ЭДС двигателя; хс - эквивалентное сопротивление сети, Ом; х (1 - сверхпереходное сопротивление двигателя, Ом.

Допустимым считается сверхпереходной ток, не превышающий

I <1,7-1,

где 1п — пусковой ток двигателя, определяемый по формуле

Таким образом, для успешной синхронизации требуется выполнение условия:

Данное условие не зависит от характеристик двигателя и является универсальным. Однако временные промежутки, в течение которых возможна синхронизация двигателя с сетью, крайне малы. Для решения этой проблемы разработана система управления. Система имеет пусковой направленный орган, реагирующий на провалы напряжения, вызванные внешними короткими замыканиями, и отключающий систему «компенсатор-потребитель» от системы электроснабжения. По восстановлении питания происходит повторное включение с контролем синхронизации двигателя с сетью.

Система осуществляет компенсацию времени включения выключателя путём увеличения угла 8 в формуле (2) на величину

где 1вкл. - время включения выключателя, с; шс — номинальная угловая частота сети, рад/с; со. - относительная скорость вращения вектора ЭДС двигателя, равная скорости вращения ротора относительно потока статора, рад/с; со0 - синхронная частота вращения ротора.

На основе разработанной схемы управления предложено устройство для защиты потребителей электроэнергии металлургических предприятий от провалов напряжения на базе синхронного электропривода. Схема устройства при-

п

с

(2)

А5 = 360° • - —

2- п со.

ведена на рис.5. Такое устройство обеспечивает поддержание уровня остаточного напряжения у потребителей на время провала напряжения с последующим восстановлением нормальной схемы питания.

Шины подстанции

Трансформатор 'напряженияі— подстанции

ыключатель защищаемой секции В1

Трансформатор . напряжения./" защи шаемой секции Ч.

т

Трансформаторы тока --^'защищаемой секции

_ Общие шины системы ком п ен сатор-п отребител ь»

Выключатель двигателя В2

Система управления-возбуждением

Защищаемые потребители

Блок определения направления мощности

Блок контроля

снижения напряжения на шинах подстанции

Блок контроля снижения напряжения на защищаемой секции

Синхронный электродвигатель

а

Блок «И», формирующий сигнал

на отключение В1 и включение форсировки возбуждения

Блок выдержки времени

Блок контроля

положения выключателя В1

Блок

выдержки

времени

ІГ

Блок «ИЛИ», формирующий

сигнал на отключение В2 и гашение поля

Блок измерения напряжения защищаемой секции

н

Блок приведения напряжения

51

Блок контроля синхронизма

Блок вычисления угла 5

Блок компенсации

времени включения

Блок контроля

положения выключателя В2

Блок контроля наличия напряжения на шинах подстанции

Блок «И», формирующий

сигнал на включение ВІ

Рис.5. Схема устройства для защиты потребителей электроэнергии от провалов напряжения на базе синхронного электропривода

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В представленной диссертационной работе реализовано новое решение актуальной научной задачи по снижению влияния провалов напряжения в систе-

ме электроснабжения металлургических предприятий на работу электроприёмников посредством применения электроприводов для поддержания уровня остаточного напряжения на шинах чувствительных потребителей.

Основные научно-практические результаты исследования сводятся к следующему:

1. Разработаны рекомендации по выбору способов защиты ответственных потребителей от провалов напряжения для металлургических предприятий с учётом особенностей схемы электроснабжения: числа, мощности, расположения чувствительных потребителей и специфики нагрузки на подстанциях.

2. Разработана математическая модель и методика эксперимента, позволяющая за небольшое время с инженерной точностью производить большое число расчётов остаточных напряжений в различных точках сети напряжением 110/10/0,4 кВ системы электроснабжения металлургических предприятий, учитывающая подпитку от двигателей среднего и низкого напряжения.

3. Предложена классификация потребителей электроэнергии на металлургических предприятиях по степени чувствительности к провалам напряжения. Выявлена зависимость глубины провала от мощности системы и степени удаления места повреждения, на основании чего установлены критические радиусы повреждения в системе электроснабжения для разных групп потребителей.

4. Разработан способ защиты электроприёмников металлургических предприятий от провалов напряжения в системе электроснабжения с помощью электроприводов, путём отключения на время провала от внешней сети общих шин питания двигателя и потребителей, что позволяет компенсировать провал напряжения на период действия релейной защиты и противоаварийной автоматики (до 3-4 с) за счёт запасённой кинетической энергии электропривода.

5. Определены требуемые параметры электропривода, работающего в режиме компенсатора провалов напряжения. Коэффициент загрузки может достигать 0,5-0,8. Мощность двигателя должна превышать мощность потребителей на 20-30%. Необходимое увеличение момента инерции зависит от требуемого времени поддержания остаточного напряжения. Для синхронного электропривода разработан закон управления возбуждением, максимизирующий эффективность компенсации провала.

6. Разработана схема управления устройством по защите потребителей от провалов напряжения с помощью синхронного электропривода для реализации на базе микропроцессорных устройств релейной защиты и автоматики, обеспечивающая отключение системы от внешней сети при провале напряжения и повторное включение с контролем синхронизма по восстановлении питания.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Теличко Л.Я., Басов П.М. Способы сохранения устойчивости ответственных электроприводов металлургических предприятий в системе электроснабжения // Электротехнические комплексы и системы управления. 2010. №1. С. 38-42.

2. Теличко Л.Я., Басов П.М. Применение математического моделирования для исследования провалов напряжения, возникающих при коротких замыканиях в распределительных сетях высокого напряжения // Электротехнические комплексы и системы управления. 2010. №4. С. 12-17.

3. Теличко Л.Я., Басов П.М. Влияние провалов напряжения в распределительных сетях промышленных предприятий на работу современных регулируемых электроприводов // Электротехнические комплексы и системы управления. 2009. №2. С. 16-20.

4. Теличко Л.Я., Басов П.М. Защита электропотребителей металлургических предприятий от провалов напряжения в распределительной сети : матер, всерос. научн.-техн. конф. / Чебоксары: Изд-во Чуваш. Ун-та, 2010. С. 227-228.

5. Басов, П.М. Эффективность схемных решений по снижению влияния провалов напряжения на работу потребителей различной степени чувствительности: сб. докл. Ш-й междунар. научн. заочн. конф. В 2-х ч. Ч.П. / Липецк: Издательский центр «Гравис», 2011. С. 10-13.

6. Теличко Л.Я., Басов П.М. Применение асинхронного электропривода в качестве компенсатора провалов напряжения: сб. матер. 1Х-ой междунар. научн.-практич. интернет-конф. / Орел: ПФ «Картуш», 2011. С. 138-141.

Личный вклад автора в работах, написанных в соавторстве, заключается в следующем: в [1] анализ способов защиты потребителей от провалов напряжения; в [2] разработка математической модели для расчёта остаточных напряжений при провалах в системе электроснабжения; в [3] анализ факторов, влияющих на работу электропотребителей промышленных предприятий при провалах напряжения; в [4] анализ эффективности существующих устройств защиты и автоматики в борьбе с провалами напряжения; в [5] разработка классификации потребителей по степени чувствительности к провалам напряжения; в [6] разработка модели и проведение экспериментальных исследований по применению асинхронного электропривода в качестве компенсатора провалов напряжения.

Подписано в печать 23.04.2012 г. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Ризография. Объем 1,2 п. л. Тираж 120 экз. Заказ № 197.

Полиграфическое подразделение Издательства Липецкого государственного технического университета. 398600 Липецк, ул. Московская, 30.

61 12-5/3606

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

Басов Павел Михайлович

ЗАЩИТА ЭЛЕКТРОПРИЁМНИКОВ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРЕДПРИЯТИЙ ОТ ПРОВАЛОВ НАПРЯЖЕНИЯ В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

Специальность 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Л.Я. Теличко

Липецк - 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................. 4

1 ВЛИЯНИЕ ПРОВАЛОВ НАПРЯЖЕНИЯ НА РАБОТУ ЭЛЕКТРОПРИЁМНИКОВ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРЕДПРИЯТИЙ...... 9

1.1 Анализ литературных источников и постановка задач

исследования............................................................................. 9

1.2 Анализ статистики отключений потребителей вследствие провалов напряжения на металлургических предприятиях................................... 26

1.3 Разработка рекомендаций по снижению влияния провалов напряжения на работу технологических агрегатов с помощью схемотехнических

решений.................................................................................... 35

ВЫВОДЫ.................................................................................. 40

2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОВАЛОВ НАПРЯЖЕНИЯ И РАСЧЁТ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ.............. 41

2.1 Разработка методики эксперимента по исследованию провалов напряжения в распределительных сетях металлургических предприятий.. 41

2.2 Разработка классификации типов потребителей по степени чувствительности к провалам напряжения......................................... 62

2.3 Анализ зависимости уровня остаточных напряжений от параметров системы электроснабжения............................................................. 64

2.4 Анализ влияния двигательной нагрузки на уровень остаточного

напряжения при провале................................................................ 75

ВЫВОДЫ.................................................................................. 90

3 РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ НА МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРЕДПРИЯТИЯХ

В КАЧЕСТВЕ КОМПЕНСАТОРОВ ПРОВАЛОВ НАПРЯЖЕНИЯ......... 91

3.1 Требования к электродвигателю, используемому в качестве компенсатора провалов напряжения................................................. 91

3.2 Исследование системы «компенсатор-потребитель» на базе

асинхронного электропривода......................................................... 93

3.3 Исследование системы «компенсатор-потребитель» на базе

синхронного электропривода......................................................... 116

ВЫВОДЫ.................................................................................. 140

4 РАЗРАБОТКА СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ УСТРОЙСТВОМ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ПОТРЕБИТЕЛЕЙОТ ПРОВАЛОВ НАПРЯЖЕНИЯ НА БАЗЕ СИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА................................................141

4.1 Требования к системе управления................................................. 141

4.2 Разработка логической схемы управления системой

«компенсатор-потребитель»............................................................ 145

4.3 Апробация устройства для защиты потребителей металлургических предприятий от провалов напряжения на базе синхронного

электропривода............................................................................ 150

ВЫВОДЫ................................................................................. 157

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................... 158

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК............................................... 160

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Статистика простоев агрегатов Производства

холодного проката и покрытий Новолипецкого металлургического

комбината вследствие провалов напряжения....................................... 169

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Проверка адекватности модели асинхронного

двигателя.................................................................................. 175

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Практическое применение результатов

диссертационной работы............................................................... 180

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В последние десятилетия активным образом происходит повышение степени автоматизации технологических процессов на металлургических предприятиях. В этой связи всё большую долю среди потребителей электроэнергии на металлургических предприятиях занимают устройства на базе силовой электроники (частотно-регулируемые привода, тиристорные преобразователи и т.п.), а также микропроцессорной техники (промышленные контроллеры, устройства релейной защиты и автоматики, системы телемеханики и учёта электроэнергии), предъявляющие повышенные требования к качеству электроэнергии и электромагнитной совместимости [2, 3, 5, 10, 12].

В силу конструктивных и схемных особенностей данные потребители реагируют на кратковременные нарушения электроснабжения (КНЭ) длительностью порядка нескольких десятых секунды. Классические устройства автоматического включения резерва (АВР) и автоматического повторного включения (АПВ), предназначенные для восстановления питания потребителей, имеют время срабатывания порядка нескольких секунд. В результате при провалах напряжения нарушается работа чувствительных потребителей.

Вследствие нарушения работы отдельных чувствительных элементов происходят сбои в работе технологических агрегатов с высокой степенью автоматизации. Нарушение условий технологического процесса приводит к браку и недоотпуску продукции. В отдельных случаях возможно повреждение данных в системе автоматического управления технологическим процессом (АСУ ТП), что может привести к крупным авариям и повреждению дорогостоящего оборудования.

В связи с вышеперечисленным весьма актуальными являются вопросы повышения надёжности электроснабжения ответственных потребителей металлургических предприятий за счёт мер по защите от провалов напряжения, вызванных повреждениями в распределительной сети.

Целью работы является определение зависимости характера провала напряжения от параметров электрической сети, выявление критериев безотказной работы электроприёмников металлургических предприятий и разработка схемотехнических решений по обеспечению снижения влияния провалов напряжения на работу потребителей.

Идея работы заключается в применении электроприводов для защиты электроприёмников металлургических предприятий путём преобразования запасённой кинетической энергии в электрическую, что обеспечивает поддержание остаточного напряжения на шинах чувствительных потребителей в изолированной системе «компенсатор-потребитель» и обосновании требуемых параметров системы.

Задачи работы:

- анализ схем электроснабжения металлургических предприятий и статистических данных по нарушению работы технологических агрегатов из-за провалов напряжения;

- сравнительный анализ схемотехнических решений по защите потребителей от провалов напряжения и разработка рекомендаций по их выбору в зависимости от особенностей схемы электроснабжения;

- разработка математической модели и методики эксперимента, позволяющей исследовать влияние параметров системы электроснабжения на глубину и распространение провалов напряжения в электрических сетях;

- составление классификации потребителей электроэнергии по степени чувствительности к провалам напряжения и разработка рекомендаций по проектированию электрических сетей с целью снижения влияния провалов напряжения на различные группы потребителей;

- разработка математической модели и методики эксперимента, позволяющей исследовать способ компенсации провалов напряжения с помощью преобразования запасённой кинетической энергии электропривода в электрическую и определение требуемых параметров системы «компенсатор-потребитель»;

- разработка логической схемы управления системой «компенсатор-потребитель», обеспечивающей защиту от провалов напряжения на время работы противоаварийной автоматики.

Научная новизна:

- разработана математическая модель и методика эксперимента, отличающаяся от аналогичных упрощённым представлением внешней сети электроснабжения, что позволяет за небольшое время с инженерной точностью производить большое число расчётов остаточных напряжений в различных точках сети напряжением 110/10/0,4 кВ системы электроснабжения металлургических предприятий с учётом подпитки от двигателей среднего и низкого напряжения;

- предложена классификация потребителей электроэнергии металлургических предприятий по степени чувствительности к провалам напряжения, отличающаяся тем, что различные типы потребителей разделены на три степени чувствительности к провалам напряжения, что позволяет производить оценку требований к качеству электроснабжения на уровне подстанций;

- предложен новый системный подход к выбору технических решений по повышению устойчивости технологического процесса при кратковременных нарушениях электроснабжения в системе электроснабжения, отличающийся от аналогичных сравнительным анализом достоинств и недостатков, а также результатов совместного применения технических решений на различных уровнях системы электроснабжения;

- разработан способ защиты электроприёмников металлургических предприятий от провалов напряжения в системе электроснабжения с помощью электроприводов, отличающийся тем, что на время провала общие шины питания двигателя и потребителей отключаются от внешней сети, что позволяет поддерживать уровень остаточного напряжения на общих шинах в течение времени ликвидации повреждения устройствами релейной защиты и автоматики;

- разработана схема управления устройством по защите потребителей от провалов напряжения с помощью запасённой кинетической энергии синхронного электродвигателя привода с большим моментом инерции, отличающаяся

тем, что используется комплексное условие синхронизации по допустимому сверхпереходному току двигателя в момент включения, а также компенсация времени включения выключателя, учитывающая текущую скорость двигателя.

Практическая ценность состоит в том, что разработанный способ защиты электроприёмников металлургических предприятий от провалов напряжения в системе электроснабжения с помощью электроприводов позволяет поддерживать уровень остаточного напряжения на шинах чувствительных потребителей на время ликвидации повреждения устройствами релейной защиты и автоматики. Получены универсальные кривые, позволяющие подобрать требуемые параметры электропривода. Разработана схема управления устройством защиты потребителей от провалов напряжения с помощью синхронного электропривода, обеспечивающая реакцию на провал напряжения в сети внешнего электроснабжения и автоматическое повторное включение с контролем синхронизма по восстановлении питания.

Методы и объёмы исследования. В работе использовались методы математического моделирования, математической статистики и инженерного эксперимента. Теоретические изыскания производились на базе аналитической теории синхронной и асинхронной машины, теории электрических сетей и сопровождались разработкой математических моделей. При проведении расчётов и моделирования на ЭВМ использовался программный пакет МАТЬ А В К201 Оа, а также входящее в его состав средство визуального программирования 81М-

иьшк.

Достоверность результатов и выводов подтверждена формулировкой задач исследования, исходя из анализа электрических режимов подстанций металлургических предприятий, использованием положений теории электрических сетей, математическим обоснованием созданных зависимостей и разработанных моделей, сопоставимостью результатов моделирования с результатами расчётов и экспериментальными данными, полученными в производственных условиях ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат».

Реализация работы. Научные и практические результаты диссертационной работы внедрены в качестве рекомендаций при проведении перспективных разработок в цехах ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат». Разработки внедрены в учебный процесс ЛГТУ по специальности «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» при выполнении лабораторных работ по дисциплине «Релейная защита и автоматика».

Апробация работы. Положения в диссертации докладывались и подробно обсуждались на VII всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике» (Чебоксары, 2010); III международной научной заочной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии» (Липецк, 2011) и IX международной научно-практической интернет-конференции «Энерго- и ресурсосбережение - XXI век» (Орёл, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано шесть печатных работ, из них две в журнале, рекомендованном ВАК РФ.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка использованной литературы и 3 приложений. Общий объём диссертации - 182 е., в том числе 168 с. основного текста, 41 рисунок, 19 таблиц, библиографический список литературы 101 наименование на 9 с и 3 приложения на 14 с.

1 ВЛИЯНИЕ ПРОВАЛОВ НАПРЯЖЕНИЯ НА РАБОТУ ЭЛЕКТРОПРИЁМНИКОВ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРЕДПРИЯТИЙ

1.1 Анализ литературных источников и постановка задач исследования

Одним из требований, предъявляемых потребителями к системе электроснабжения, является обеспечение качества электроэнергии. Показатели качества нормируются ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электроэнергии в системах электроснабжения общего назначения» [1]. В частности, одной из причин снижения качества электроэнергии является возникновение провалов напряжения в системе электроснабжения, иначе называемых кратковременными нарушениями электроснабжения (КНЭ). Согласно ГОСТ 13109-97 провал напряжения -это внезапное понижение напряжения в точке электрической сети ниже 0,9-ином, за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня через промежуток времени от десяти миллисекунд до нескольких десятков секунд. Провалы характеризуются длительностью, глубиной и частотой. Однако нормируемым параметром является только длительность провала напряжения: в электрических сетях напряжением до 20 кВ включительно она не должна превышать 30 с [1-3]. В последние годы в связи с широким распространением микропроцессорных устройств в системах управления, контроля и защиты повышенное внимание уделяется вопросу о влиянии провалов напряжения в распределительных сетях промышленных предприятий на работу ответственных потребителей.

Согласно статистическим данным, приведённым в ГОСТ 13109-97, в сетях российской энергосистемы преобладают провалы напряжения глубиной от 35 до 99% и длительностью порядка 1,5-3 секунд [1]. При этом подавляющее большинство провалов, от 70 до 90% в зависимости от наличия АВР на подстанциях и участков сети, выполненных воздушными линиями, является результатом повреждений в кабельных и кабельно-воздушных линиях напряжением 6-10 кВ. При этом потребители, питающиеся по кабельным линиям, испы-

тывают до 10 провалов, а потребители кабельно-воздушных сетей до 25-30 провалов в год. Однако, применяя эти статистические данные на систему электроснабжения промышленных предприятий, следует учесть некоторые особенности таких сетей [4, 5]. Энергосистемы промышленных предприятий, как правило, имеют высокую концентрацию нагрузки, вследствие чего суммарная протяжённость кабельных линий значительно меньше, чем в системах электроснабжения городов, а питающие воздушные линии имеют значительную длину и электрическую связь с различными участками внешней системы электроснабжения. В связи с этим можно сделать вывод о том, что основной причиной провалов напряжения в распределительных сетях промышленных предприятий являются повреждения в воздушных линиях напряжением 110-220 кВ, поскольку они как правило, находятся на открытом воздухе, подвержены всем видам атмосферных воздействий и более предрасположены к возникновению коротких замыканий (КЗ) [5-9].

Характерной особенностью провалов напряжения в отличие от других показателей, влияющих на качество электроэнергии, является случайно-вероятностный характер их возникновения [5, 10-13]. Причиной провала может быть удар молнии в опору воздушной линии (ВЛ), ошибка обслуживающего персонала или ложное срабатывание устройств релейной защиты и автоматики (РЗиА). Появление провалов напряжения неопределенно по месту и по времени, относясь, таким образом, к случайным событиям, вероятность появления которых может быть определена только прогнозом [5]. По этой причине стандартом возможно нормировать лишь длительность провала напряжения, определяемую временем срабатывания устройств релейной защиты и противоава-рийной автоматики. Глубина и частость провалов напряжения являются вероятностными величинами. В связи с этим, основные усилия следует направить на оценку степени влияния провалов напряжения на различные типы потребителей электроэнергии и на исследование способов минимизации этого влияния до уровня, обеспечивающ�