Экспериментальные исследования качества электрической энергии в основных цехах ОАО "АМК". Анализ гармонического состава сетевого напряжения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Донбасский государственный технический университет

Экспериментальные исследования качества электрической энергии в основных цехах ОАО «АМК». Анализ гармонического состава сетевого напряжения

Полилов Е.В., Зеленов А.Б.

В рамках проводимой реконструкции Алчевского металлургического комбината в связи с увеличением единичной мощности и количества энергоёмких потребителей электроэнергии, авторами на основании собственных разработок впервые на уровне руководителей предприятия была поднята проблема ухудшения качества электрической энергии в сетях низкого и высокого напряжения основных прокатных цехов комбината.

Все классические схемы преобразования переменного напряжения имеют несинусоидальный входной ток, сдвинутый по фазе в сторону отставания от напряжения сети. Это означает, что вентильные преобразователи, потребляя из сети активную мощность, необходимую для нагрузки, загружают питающую сеть реактивной мощностью и мощностью искажений, которые являются здесь паразитными для сети. Колебания реактивной мощности приводят к колебаниям уровня напряжения в сети, а искажения тока вызывают искажения формы напряжения в сети.

Наличие нелинейной нагрузки в сети в виде вентильного преобразователя создает следующие проблемы [1, 2]:

- искажается форма напряжения в сети; несинусоидальное напряжение сети оказывает свое негативное влияние и на «безобидных» (линейных) потребителей электрической энергии;

- появляются дополнительные потери активной мощности в элементах сети от высших гармоник тока, что может вызвать перегрев этих элементов (трансформаторов, косинусных конденсаторов, электрических машин);

- возникают перенапряжения в сети из-за резонансных явлений при совпадении частот гармоник первичного тока вентильного преобразователя с собственными резонансными частотами электрической сети, в действительности являющейся системой с распределенными LC-параметрами. Эти перенапряжения могут вызывать ложные защитные отключения или выход элементов сети из строя.

Влияние ВГ на электроприёмники весьма неблагоприятно из-за появления перераспределения баланса потребления активной и реактивной энергии, сокращения срока службы изоляции электрических машин, трансформаторов и кабелей, ухудшения качества работы систем релейной защиты, автоматики и связи. Гармонические составляющие приводят к дополнительной вибрации двигателей, что значительно сокращает срок службы подшипников. Особенно велико влияние ВГ на электроприёмники (в том числе контроллеры, микропроцессорные системы, системы управления и т.п.), размещённые рядом с мощными генераторами гармоник, а возможно и получающие питание от той же сети. В результате резко возрастает вероятность повышения аварийности и изменения технологического процесса, происходит снижение сроков эксплуатации электрооборудования и увеличиваются затраты на обслуживание электрооборудования.

Цель работы. Целью экспериментальных исследований являлась оценка качества электроэнергии сетей 6 кВ подстанции «Прокат-110» ОАО «АМК». Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи: измерение и запись частотного спектра напряжения и тока в различных узлах электрических сетей цехов; выявление источников гармонического искажения; численная оценка показателей качества электроэнергии. напряжение гармонический искажение несинусоидальность

Материал и результаты исследований. Эксперимент заключался в измерении и записи при помощи созданной автором системы регистрации электрических процессов и событий электроприводов линии стана, работающей в режиме аналогового анализатора спектра, спектрограмм напряжения и тока в узлах электрических сетей низкого и высокого напряжения прокатных цехов ОАО «АМК». Во всех прокатных цехах комбината (станы 2800, 2250, блюминг-слябинг, СПЦ) с 2002 года авторами начато внедрение новых систем регистрации электрических процессов и событий электроприводов линии стана. В состав аппаратной части регистраторов входят:

- одноплатный промышленный компьютер на базе процессора Pentium 4 (IBM PC совместимые офисные ПК на базе процессора Celeron 2ГГц для ТЛЦ-1, 2);

- 32-канальные платы АЦП с шиной PCI, гальванической изоляцией PCI-1713 фирмы Advantech (АЦП - 12 разрядов; время преобразования 2,5 мкс); 64-канальные платы дискретного ввода с гальванической изоляцией PCI-1754 (при необходимости);

- платы гальванической изоляции, делители напряжения, измерительные трансформаторы тока, шунты, промышленные кабели и кабели с соединителями и клеммные платы для монтажа на DIN-рейку.

В соответствии с поставленными требованиями авторами разработано программное обеспечение, с помощью которого реализуется:

- круглосуточная регистрация, контроль и вывод текущих параметров электропривода (ток, напряжение и скорость двигателя, напряжения контрольных точек в преобразовательном агрегате и т.п.);

- графическое отображение изменения данных параметров во времени;

- запись фиксируемых параметров в файлы с возможностью дальнейшей работы с этими данными в автономном режиме;

- запоминание и архивацию аварийного следа, фиксация времени наступления события;

- фиксация по запросу дежурного или иного персонала переходных процессов в электроприводе в определенный момент времени;

- расчёт основных показателей качества электрической энергии в системах электроснабжения, спектральный анализ высших гармонических составляющих напряжения и тока;

- расчёт эквивалентного тока для определения загрузки электродвигателей в течение цикла работы механизма, построение нагрузочных диаграмм и тахограмм работы основного технологического оборудования;

- создание отчётных документов.

Основное применение программы - анализ аварийных ситуаций при работе электропривода, с целью установления и дальнейшего устранения причины, приведшей к аварийной ситуации. Программа используется также для экспериментального исследования качества электроэнергии; расчёта загрузки электродвигателей по среднеквадратичному току, что особенно важно при изменении технологии прокатки и реконструкции прокатного стана; при наладке электроприводов для настройки требуемых параметров, а также для контроля параметров при текущей эксплуатации.

Очевидно, что основными и наиболее энергоёмкими токоприёмниками прокатных станов являются главные приводы прокатных клетей, поэтому наибольший интерес, и как следствие, львиная доля всех проведенных экспериментов касались исследований именно участков черновой и чистовой линий станов. Представленные результаты исследований были получены на вводах 6 кВ толстолистовых станов 2250 и 2800. Для питания якорных цепей приводных двигателей постоянного тока главных приводов черновой (каждый из валков приводится от 2360-кВт электродвигателя) и чистовой клетей (привод валков от 2360-кВт электродвигателя через шестерённую клеть) стана 2250 используются тиристорные преобразователи (ТП) с 6-пульсной схемой выпрямления. Трансформаторы, осуществляющие питание указанных преобразователей имеют одну первичную, сетевую обмотку, и четыре вторичных, вентильных обмотки, схема и группа соединения которых - . Однотипные вторичные обмотки в каждом трансформаторе соединены параллельно. Группа первого трансформатора используется для питания преобразователя черновой клети, группа номинально не задействована и может быть использована для резервного питания преобразователя чистовой клети; группа второго трансформатора используется для питания преобразователя чистовой клети, группа номинально не задействована и может быть использована для резервного питания преобразователя черновой клети. На стане 2800 питание якорных цепей приводных двигателей постоянного тока главных приводов (каждый из валков черновой клети приводится от 2170 кВт электродвигателя; чистовой клети - от 4600 кВт электродвигателя через шестерённую клеть) осуществляется по системе генератор-двигатель с использованием синхронных двигателей (по 8,5 МВА каждый) в качестве гонных и являющихся в определённых режимах одновременно компенсаторами реактивной мощности и «фильтрами» гармонических составляющих, осуществляя подпитку сети в моменты коммутации ТП и провалов сетевого напряжения. Подобные выводы сделаны в результате анализа полученных в ходе измерений кривых сетевого напряжения 6 кВ 1-й секции подстанции во время работы машинных агрегатов.

На подстанции «Прокат-110» расположены три понижающих трансформатора 110/6 кВ, один из которых используется в качестве резервного. Два трансформатора образуют две секции по 6 кВ. От этих секций запитаны электроприводы района прокатных клетей толстолистовых станов 2250 и 2800, а также блюминга-слябинга 1250: электроприводы черновых клетей толстолистовых станов - от 2-й секции; электроприводы чистовых клетей - от 1-й секции. От первой же секции получает питание ЭП прокатной клети блюминга-слябинга 1250 (каждый из валков приводится от 5000-кВт электродвигателя). В качестве преобразовательной части для питания якорных цепей приводных двигателей главных приводов клети и ножниц блюминга-слябинга (привод ножниц от двух 3770-кВт электродвигателей) используются тиристорные преобразователи с 12-пульсной схемой выпрямления (с целью обеспечения дополнительного резерва преобразовательной части при работе вечерней и ночной смен силовая часть преобразователей на это время переводятся в 6-пульсный режим).

К шинам 6 кВ анализатор подключался посредством измерительных трансформаторов напряжения НОМ и НТМИ 6000/100В, понижающих трансформаторов ОСМ-0,063УЗ 220/5В (при необходимости делителей напряжения и гальванической развязки) с соблюдением особых правил безопасности. Получены спектрограммы фазного и линейного напряжений на шинах 6 кВ, токов в обмотках высшего напряжения трансформаторов, питающих тиристорные преобразователи (ТП). Для получения спектрограмм выходного тока и напряжения ТП анализатор подключался посредством измерительных трансформаторов тока, шунта и делителей напряжения, входящих в комплект шкафа ТП. Запись спектрограмм производилась на различных временных участках технологического цикла работы цехов таким образом, чтобы охватить всё разнообразие режимов работы электрической сети: технологические паузы, включение того или иного токоприёмника, совместная работа нескольких токоприёмников, совместная и раздельная работа прокатных станов и т.п.

На рис. 1 представлены копии отчётных документов и результаты исследований качества электроэнергии (ЭЭ) в основных цехах ОАО «АМК», полученные с помощью рассмотренной системы регистрации. Особой ценностью проведенных экспериментов является возможность визуализации кривых сетевого напряжения при последовательном введении в работу трёх прокатных станов (толстолистовых станов 2250 и 2800, а также блюминга-слябинга 1250), получающих питание от одной подстанции «Прокат-110».

На представленных диаграммах рассмотрен вопрос поведения энергосистемы в момент останова (стоянки) гонных синхронных двигателей (системы Г-Д) стана 2800, что возможно на период 8-12 часовых либо капитальных ремонтов прокатного стана. Во время проведения подобного ремонта был получен ряд кривых сетевого напряжения в различные моменты запуска в работу основных прокатных станов. Первым в 9:40 был запущен толстолистовой стан 2250 (рис. 1, б). Работа стана вызвала некоторую колебательность и искажение кривой сетевого напряжения. Уровни гармонических составляющих за исключением 35-ой и 37-ой и величины коэффициентов несинусоидальности в момент работы стана 2250 находятся в допустимых пределах. В 10:50 одновременно с уже запущенным станом 2250 начал работу блюминг-слябинг 1250, что вызвало значительные искажения формы напряжения в сети (рис. 1, в, г). Представленные в статье всего четыре диаграммы сетевого напряжения 6 кВ по 60 мсек каждая могут показаться «каплей в море»; в действительности авторами проводился круглосуточный мониторинг и непрерывная запись на жёсткий диск диаграмм напряжения и тока в узлах электрических сетей низкого и высокого напряжения прокатных цехов. Общий объём накопленной информации измеряется в Гбайтах.

Выводы по результатам измерения

Полученные результаты позволяют говорить о том, что качество ЭЭ в сети 6 кВ для питания основных прокатных цехов не соответствует нормам и требованиям стандартов стран СНГ ГОСТ13109-97, ни тем более стандартам стран европейского союза EN50160. Особое внимание обращает на себя тот факт, что превышение нормированных уровней высших гармоник высоких порядков 23-38 как чётных, так и нечётных в ряде случаев составляет 5-7 и более раз! Так, нормально допускаемые значения коэффициента n-ой гармонической составляющей напряжения в пунктах контроля, являющихся точками общего присоединения к электрическим сетям с разными номинальными напряжениями, приведены в табл. 1.

Предельно допускаемое значение коэффициента n-ой гармонической составляющей напряжения в 1,5 раза выше нормально допускаемого значения коэффициента n-ой гармонической составляющей напряжения , определяемого по таблице 1. Так, например, предельно допускаемое значение коэффициента 25-ой гармонической составляющей напряжения составляет 1,5%, в то время как реальная величина достигает 4,5%; 35-ой - соответственно 1,16% и 5,5%; 37-ой - соответственно 1,11% и 7,5%!

Нормально допускаемые и предельно допускаемые значения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения в пунктах контроля, являющихся точками общего присоединения в электрических сетях с различными номинальными напряжениями , приведены в таблице 2. Реальные величины коэффициентов несинусоидальности напряжения достигают 12-13% (на диаграммах - THD), в то время как предельно допускаемое значение для сетей 6-20 кВ - 8,0%.

Следует отметить, что сети предприятия имеют значительную протяжённость и, соответственно, электрическую индуктивность и ёмкость, являясь тем самым индуктивным или емкостным фильтром гармоник. Это означает, что энергия гармоник, генерируемых мощными преобразователями, возможно ещё большая. Энергия ВГ может являться причиной пожаров и взрывов на пожаровзрывоопасных территориях при аварийных состояниях электрических сетей, таких, как междуфазное короткое замыкание, замыкание на землю и других аварийных ситуациях. Кроме того, как следует из представленных диаграмм, по этой же причине в сети 6 кВ предприятия имеет место резонанс напряжения на частотах 1750 Гц (35-я гармоника) и 1850 Гц (37-я гармоника).

Наличие гармонических составляющих и проблема их подавления в ближайшее время (июль-август 2006 г.) ещё больше осложнятся в связи с предстоящей реконструкцией стана 2800. Суть проблемы в том, что существующие на стане источники питания якорных цепей приводных двигателей постоянного тока главных приводов черновой и чистовой клетей (системы генератор-двигатель) будут выведены из эксплуатации с последующим внедрением тиристорных преобразователей с 12-ти пульсной схемой выпрямления для питания существующих двигателей черновой клети и использованием преобразователей частоты на GTO-тиристорах для питания новых синхронных двигателей удвоенной мощности чистовой клети. Таким образом, вместо достаточно «безобидных» потребителей, а возможно даже и «фильтров» высших гармоник, которыми в данный момент являются гонные синхронные двигатели, к двум секциям 6 кВ подстанции «Прокат-110» будут подключены дополнительные «генераторы» гармоник, тем самым ещё более ухудшая показатели качества энергосистемы.

Следует отметить, что полученные результаты совместно с накопленными данными были переданы специалистам по энергетике и сетям фирмы ALSTOM Power Conversion, являющейся субподрядчиком и поставщиком средств автоматизации и силового электрооборудования для реконструкции прокатного стана 2800, которые, откровенно говоря, были удивлены тем, что комбинат собственными силами (а по сути авторами статьи) провёл подобные исследования и несколько скептически

Рисунок 1. Копии отчётных документов анализа гармонических составляющих питающей сети 6 кВ подстанции «Прокат-110» ОАО «АМК»

Таблица 1. Нормы на коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения в процентах

n - номер гармонической составляющей напряжения

* - нормально допускаемые значения, приведенные для n, равных 3 и 9, относятся к однофазным электрическим сетям. В трехфазных трехпроводных электрических сетях эти значения принимают вдвое меньшими приведенных в таблице

Таблица 2. Нормы на коэффициент искажения кривой напряжения

отнеслись к представленным материалам. В результате чего, из Германии была направлена специализированная группа с соответствующей аппаратурой для исследования качества ЭЭ предприятия. Измерительная часть привезенного оборудования (OSMU transducer box by the University of Technology, Graz, Austria) функционально мало чем отличается от созданной авторами системы регистрации электрических процессов и событий электроприводов линии стана. Результаты, исследований представлены на рис. 2. На представленных диаграммах уровни гармонических составляющих сетевого напряжения в несколько раз ниже соответствующих величин на диаграммах, представленных на рис. 1. Связано это с тем, что все эксперименты, проводимые представителями ALSTOM, проходили в момент работы машинных агрегатов стана 2800 (машинные агрегаты могут быть остановлены, как отмечалось выше, только на период 8-12 часовых либо капитальных ремонтов прокатного стана, которые проводятся не чаще чем один раз в месяц), и по большому счёту данные измерения не отражают ситуации, в которой окажется энергосистема комбината после реконструкции стана с выведением из работы систем Г-Д. Разумеется, авторами статьи проводился мониторинг качества ЭЭ, в том числе и в моменты работы машинных агрегатов, и результаты измерений для этого режима практически полностью совпадают с результатами, представленными на рис. 2, но вследствие ограничения объёма статьи здесь не представлены. На наш взгляд основная цель приезда специалистов ALSTOM Power Conversion не была достигнута. Причиной несогласованности приезда представителей фирмы и планируемого времени проведения экспериментов (на период останова прокатного стана) стала проблема растамаживания оборудования на границе с Украиной с задержкой измерительной аппаратуры на неделю. Практически все результаты измерений, представленные впоследствии специалистами ALSTOM Power Conversion только лишь подтвердили полученные ранее результаты.

Возможны два пути ослабления негативного обратного влияния вентильных преобразователей на питающую сеть. Первый путь связан с построением новых схем преобразования или модернизацией прежних с целью улучшения формы тока, потребляемого преобразователями из сети. Второй связан с нахождением ориентированных на решение этой проблемы специальных преобразовательных устройств, позволяющих управляемо генерировать отдельные или все сразу неактивные составляющие полной мощности, имеющиеся в питающей сети в точке присоединения нелинейной нагрузки, которые надо частично или полностью компенсировать. Такие преобразовательные устройства носят название вентильных компенсаторов неактивных составляющих полной мощности.

Рисунок 2. Анализ гармонических составляющих питающей сети 6 кВ подстанции «Прокат-110» ОАО «АМК», представленный фирмой ALSTOM Power Conversion

Для ограничения негативного влияния вентильных преобразователей на питающую сеть применяют следующие меры, кроме ограничения соотношения мощностей преобразователя и питающей сети [1, 2]:

- увеличение числа эквивалентных фаз преобразователя, что, безусловно, удорожает установку;

- применение схем преобразователей с улучшенной формой входного тока, что требует разработки и применения специальных алгоритмов управления преобразователем;

- фильтрацию входных токов преобразователя, как правило, с помощью параллельного подключения к сети последовательных LC-фильтров, настроенных на доминирующие гармоники входного тока. В этом направлении проводятся широкие исследования, однако использование пассивных фильтров имеет существенные недостатки, такие как громоздкость, опасность выхода из строя конденсаторных батарей, возможность возникновения резонансов тока и напряжения на других частотах при включении/отключении мощных энергоприёмников и т.п.;

- использование схем активной фильтрации входного тока, компенсирующих отклонения входного тока преобразователя от синусоидальной формы. Идея компенсации искажений напряжений и токов в сети, т.е. активная фильтрация, основана на введении в сеть последовательно источника напряжения с управляемым искажением или параллельно источника тока с управляемым искажением, причем вносимые искажения находятся в противофазе с имеющимися искажениями и компенсируют их в результирующей кривой напряжения или тока. К недостаткам силовых активных фильтров следует отнести сложность системы управления, отсутствие возможности реализации безынерционной компенсации, ограниченную единичную мощность. Кроме того, силовые активные фильтры являются отдельными преобразовательными устройствами, установка которых требует дополнительных капитальных затрат, соизмеримых со стоимостью преобразовательной техники.

Руководством комбината совместно с главными специалистами по энергетике и сетям фирмы ALSTOM Power Conversion было принято решение о проектировании и приобретении соответствующего фильтр-компенсирующего оборудования. Результаты наладки ФКУ и его эффективность будут представлены в одном из последующих сборников.

Литература

1. Арриллага Дж., Брэдли Д. Гармоники в электрических системах: Пер. с англ. Е.А. Васильчакова / Под ред. Ю.С. Железко. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 319 с.

2. Жежеленко В.И. Показатели качества электроэнергии на промышленных предприятиях. - М.: Энергия, 1977. - 128 с.

Размещено на Allbest.ru