Ключевые слова -- провал напряжения; подстанции глубокого ввода; отпадение контакторов; буферный трансформатор

Влияние провалов напряжения

Влияние провалов напряжения на ход технологического процесса во многом зависит от его характера. Особенно ощутимое влияние провалы напряжения оказывают на так называемые «непрерывные технологические процессы» в химии, нефтехимии, нефтепереработке и т.п. отраслях. В отличие, например, от конвейера механосборочного производства, который можно остановить и запустить снова, такие технологические процессы для останова и повторного пуска требуют длительного времени - от нескольких часов до нескольких суток при строгом соблюдении технологического регламента.

Сложная технологическая цепочка выпуска продукции на таких производствах обычно включает множество аппаратов, в каждом из которых химические реакции происходят при строго определенных значениях температуры, давления, при определенных объемных или весовых соотношениях участвующих реагентов.

Поддержание постоянства этих величин обеспечивается насосами, компрессорами, холодильниками, термостатами, мешалками, регулируемыми задвижками и др. механизмами, приводимыми во вращение электродвигателями. В некоторых случаях достаточно одному из таких механизмов остановиться или даже снизить свою производительность либо давление, как параметры технологического процесса превысят критические значения, и он будет остановлен системой противоаварийной автоматики. Возникающий при этом ущерб в лучшем случае выражается в браке части продукции, а в худшем - требуется полный останов технологического процесса, удаление всех непрореагировавших компонентов, продувка всей системы инертным газом и наладка технологического процесса.

Рис. 1. Схема электроснабжения комплексного предприятия по добыче и переработке углеводородов

При этом в низковольтных сетях синхронные электродвигатели применяются довольно редко, основную массу там составляют асинхронные электродвигатели. Их главное отличие состоит в том, что они управляются, как правило, с помощью контакторов и магнитных пускателей, имеющих свойство самопроизвольно отключаться («отпадать») при снижении напряжения на втягивающей катушке [2].

В рамках данной работы, для снижения ущерба от недовыпуска продукции, рассмотрена установка буферных трансформаторов, на линиях, связывающих подстанцию глубокого ввода предприятия с системой, в совокупности с изменением схемы питания катушек контакторов асинхронных двигателей, в зависимости от схемы и группы соединения обмоток трансформаторов.

Так же было рассмотрено влияние учёта полных моделей крупных асинхронных двигателей на уровни остаточных напряжений.

Оценка влияния буферных трансформаторов

Буферные трансформаторы представляют собой обыкновенные силовые трансформаторы с коэффициентом трансформации равным единице. В рамках данного исследования они использовались для удаления точки короткого замыкания от шин подстанции глубокого ввода, что положительно сказалось на уровни остаточных напряжений.

Для исследования влияния различных факторов на величину остаточного напряжения использовался программно-вычислительный комплекс Eurostag, поскольку в нём собрана библиотека моделей автоматики оборудования зарубежных производителей, в том числе и тех, чьё оборудование установлено на объекте.

В качестве места короткого замыкания был выбран узел 29, поскольку по отношению к существующей системе электроснабжения он является внешней сетью, притом точка КЗ расположена достаточно близко (в электрическом смысле) по отношению к подстанции глубокого ввода. Тип короткого замыкания - однофазное, поскольку это наиболее распространённый тип коротких замыканий для сетей данного класса напряжения.

Поскольку в данном случае расчёт проводился на симметричной схеме, то для моделирования однофазного короткого замыкания использовался шунт, полученный при моделировании аналогичного короткого замыкания, в программном комплексе АРМ СРЗА, с учётом параметров прямой, обратной и нулевой последовательностей элементов сети.

В последовательность аварийных событий так же добавлено отключение линии 29 - 30 спустя 0.2 секунды (моделирование действия защиты линии), и её повторное включение через 1 секунду (моделирование действия АПВ). Контроль уровней напряжения проводился в узлах 5, 29, 70, 86, поскольку они являются представителями множества точек соответственно:

· узла КЗ;

· шин подстанции глубокого ввода;

· шин 6 кВ подстанций, получающих электроэнергию на напряжении 110 и 35 кВ.

После сравнения результатов расчётов, проведённых без и с использованием буферных трансформаторов, можно заключить следующее:

· без использования буферных трансформаторов, несмотря на наличие быстродействующих систем возбуждения, за время существования короткого замыкания (0.2 с) напряжение на шинах 6 кВ подстанций 110/6 кВ и 35/6 кВ продолжает снижаться с 0.55U_ном до 0.48 U_ном и стабилизируется только к моменту отключения линии;

· при их наличии, остаточное напряжение на шинах 6 кВ как потребителей, получающих электроэнергию по сети 110 кВ, так и по сети 35 кВ существенно выше и составляет 0.87U_ном в первый момент, 0.58U_ном минимальное значение, что примерно на 20% выше, чем до этого.

Влияние учёта полных моделей крупных асинхронных двигателей

В процессе изучения объекта исследования - комплексного мероприятия по добыче и переработке углеводородов, возникла гипотеза о том, как учёт вращающихся масс асинхронных двигателей может влиять на переходной процесс в целом и на уровни остаточных напряжений в частности.

С точки зрения теории, асинхронный двигатель, в начальный момент времени короткого замыкания продолжает вращаться с прежней скоростью, в силу своей инерционности. А потому в начальный момент времени КЗ он работает как генератор, выдавая мощность в питавшую его сеть. На этом основан принцип действия электромеханических накопителей. И хотя в общем случае задача учёта большого количества разнонагруженых и разнотипных асинхронных двигателей является весьма громоздкой, в нашем случае на предприятии имеются весьма крупные асинхронные двигатели поршневых компрессоров мощностью до 6 МВт.

Далее используя возможности ПВК Eurostag, а также характеристики двигателя типа 4АЗМ мощностью 6 МВт, в предположении что двигатели имеют компрессорную нагрузку на валу, система электроснабжения была дополнена несколькими моделями таких двигателей.

В результате расчётов было установлено, что, хотя в начальный момент нарушения величина остаточного напряжения несколько выше, чем в исходной модели и составляет 0.64U_ном, напряжение во время короткого замыкания снижается по более крутой траектории, нежели до этого. Так же стоит отметить снижения уровня перенапряжений в узлах после окончания паузы АПВ.

Таким образом, учёт полных моделей асинхронных двигателей хоть и даёт некоторое повышение остаточного напряжения, однако в силу высокого момента сопротивления на валу данных машин (двигатели поршневых компрессоров), в конечном итоге приводит к резкому его снижению во время короткого замыкания.

К сожалению, в процессе работы автор столкнулся с проблемой отсутствия, либо крайней труднодоступности информации, касаемо влияния крупных АД на переходные процессы в системе (большинство работ, в этой области посвящены обратной проблеме), так что ни подтвердить, ни опровергнуть полученные данные путём сопоставления их с похожими исследованиями не удалось.

Выбор схемы питания катушек контакторов

Проведя расчёты на симметричной модели схемы и убедившись в том, что во время короткого замыкания, остаточное напряжение на шинах 6 кВ подстанций находится на опасно низком уровне и контакторы асинхронных двигателей там могут самопроизвольно отключаться, потребовался более точный расчёт несимметричного режима для выяснения остаточных фазных и линейных напряжений на шинах 0.4 кВ трансформаторных подстанций питающих непосредственно как сами асинхронные двигатели, так и катушки управления их контакторов.

Для расчёта в данном случае использовался программный продукт отечественного производства АРМ СРЗА, позволяющий вести расчёт токов короткого замыкания, а также остаточных напряжений в сети по методу симметричных составляющих. Схемы и группы соединения обмоток всех трансформаторов соответствуют ГОСТ 11677-85. Большая часть имеет схему соединения обмоток «звезда»/«треугольник» (либо «звезда с землёй»/«треугольник» в зависимости от класса напряжения), за исключением буферных трансформаторов, имеющих схему «з звезда с землёй»/« звезда с землёй».

По результатам расчёта получены значения напряжений прямой и обратной последовательностей, а также фазных и междуфазных напряжений для шин 0.4 кВ трансформаторных подстанций, подключенных к узлам 86 и 70. Эти узлы отличает количество ступеней трансформации от точки короткого замыкания, до узла нагрузки. Сами результаты представлены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1. Модули фазных и линейных остаточных напряжений, напряжений прямой и обратной последовательностей на шинах 0.4 кВ (узел 86)

Таблица 2. Модули фазных и линейных остаточных напряжений, напряжений прямой и обратной последовательностей на шинах 0.4 кВ (узел 70)

Исходя из полученных данных, можно рекомендовать следующую схему питания управляющих катушек контакторов:

· на объектах, получающих электроэнергию на напряжении 35 кВ (например, узел 86), целесообразнее будет запитывать катушки фазным напряжением, поскольку в этом случае даже при провале напряжения остаточные значения фазных напряжений остаются на хорошем уровне (не менее 0.64 U_ном), что значительно снижает вероятность отпадения контакторов, в отличие от случая, когда катушки запитываются линейным напряжением, расчётное значение которого в одном из 3 сочетаний фаз оказывается 0.4U_ном.

· на объектах, получающих электроэнергию на напряжении 110 кВ картина обстоит иначе, здесь наиболее надёжным будет запитать катушки от линейного напряжения, в силу тех же причин.

Экономическая оценка

Для экономической оценки реализации проекта по установке буферных трансформаторов, вкупе с рекомендациями по изменению схемы подключения катушек контакторов, был рассчитан чистый дисконтированный доход, в предположении, что после установки буферных трансформаторов ущерб от недовыпуска продукции, связанный с провалами напряжения вызванными нарушениями во внешней сети будет снижен, на величину составляющую примерно 50% от среднего недовыпуска за предыдущие года по данной причине.

При единовременных капитальных вложениях в 126.21 миллиона рублей за время жизни проекта (срок эксплуатации оборудования) чистый дисконтированный доход составил 465.06 миллиона рублей. При этом срок окупаемости проекта составил всего 3 года.

Таким образом в целом можно говорить о целесообразности установки буферных трансформаторов на данном предприятии не только с точки зрения повышения надёжности электроснабжения, но также и с точки зрения экономии денег.

Список литературы

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

Фишман В. С. Провалы напряжения в сетях промпредприятий. Причины и влияние на электрооборудование. // Новости Электротехники. 2004 г. № 5(29). URL: www.news.elteh.ru/ arh/2004/29/06.php. - (Дата обращения: 01.10.2016).

Автоматическое регулирование в электрических системах : учебное пособие / В.П. Шойко. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2012. - 195 с

Hammer A. Analysis of IEEE Power System Stabilizer Models [Текст]: диссертациянасоисканиестепени Master of Science in Electric Power Engineering: 01.06.2011: защищена 01.06.2011/ Anders Hammer. - Trondheim, 2011. - 101 c.

IEEE Std. 421.5 - 2005. IEEE Recommended Practice for Excitation System Models for Power System Stability Studies // IEEE Standarts Association. 2005 г. 95 с. URL: https://standards.ieee.org/ findstds/standard/421.5-2005.html (Датаобращения: 01.10.2016).

Размещено на Allbest.ru