WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


На правах рукописи

Панова Евгения Александровна

ПОВЫШЕНИЕ РЕЖИМНОЙ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ В УСЛОВИЯХ АВАРИЙНОЙ НЕСИММЕТРИИ

Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Магнитогорск – 2012

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Малафеев Алексей Вячеславович

Официальные оппоненты:

Паздерин Андрей Владимирович, доктор технических наук, профессор, ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», заведующий кафедрой автоматизированных электрических систем Пупин Валерий Михайлович, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «НИУ МЭИ», ст. научн. сотрудник кафедры ЭПП Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» (национальный исследовательский университет).

Защита состоится 25 мая 2012 г. в 15 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.111.04 при ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» по адресу:

455000, Челябинская обл., г. Магнитогорск, пр. Ленина, д. 38, ауд. 227.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

Автореферат разослан «___» апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета К.Э. Одинцов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ



Актуальность проблемы. Эксплуатация и управление режимами систем электроснабжения (СЭС) промышленных предприятий неразрывно связаны с расчетом и анализом аварийных режимов их работы. Как правило, специалисты диспетчерских управлений и электротехнических лабораторий промышленного предприятия ограничиваются рассмотрением режимов симметричных и несимметричных коротких замыканий (КЗ) в качестве аварийных режимов, на основе которых осуществляются проверка оборудования и определение параметров срабатывания устройств релейной защиты (РЗ), а также неполнофазных режимов. Однако нередко причинами коротких замыканий являются обрывы проводов линий электропередачи (ВЛ), что приводит к сочетанию продольной и поперечной несимметрии в одной точке сети, т.е.

к возникновению сложнонесимметричного режима. Также подобный аварийный режим может возникнуть при неполнофазном отключении КЗ.

Так как уставки РЗ рассчитываются по условиям режима КЗ, то она зачастую оказывается нечувствительной к режимам сложной несимметрии.

Отсутствие срабатывания устройств РЗ приводит к длительному существованию сложнонесимметричного режима и, как следствие, к значительному ущербу, связанному с дополнительными потерями мощности и снижением эксплуатационного ресурса электрооборудования. Поскольку возникновение аварийных режимов связано со снижением уровня напряжений в сети, нарушается устойчивая работа генераторов собственных электростанций, что приводит к недоотпуску ими электроэнергии, более дешевой по сравнению с покупаемой у энергоснабжающей организации. Длительное существование аварийного режима и нарушение динамической устойчивости генераторов местных электростанций приводит к снижению режимной надежности СЭС, которая определяется ее способностью «…при определенных условиях противостоять внезапным возмущениям»1.

Расчет и анализ аварийных режимов невозможны без использования специализированного программного обеспечения (ПО). СЭС крупного промышленного предприятия является специфическим объектом, отличающимся наличием собственных электростанций, концентрацией большой нагрузки на сравнительно небольших площадях, наличием сложнозамкнутых и разомкнутых участков с преобладанием последних, нескольких ступеней трансформации и узлов связи с энергосистемой на различных уровнях напряжения. К особенностям такого объекта также можно отнести большое число элементов в расчетной схеме и разнородный состав узлов нагрузки. Все эти особенности Стандарт организации ОАО РАО «ЕЭС России». Электроэнергетика. Термины и определения : СТО 17330282.27.010.001-2008. [Текст] : Принят и введен в действие приказом ОАО РАО «ЕЭС России» от 17.06.2008 №289. — М.: ОАО РАО «ЕЭС России», 2008. — 902 с.

значительно усложняют задачу моделирования нормальных и аварийных режимов работы систем промышленного электроснабжения.

Использование ПО, ориентированного на моделирование режимов работы СЭС промышленного предприятия, позволит выполнить расчеты сверхпереходных режимов и электромеханических переходных процессов (ПП) в любых несимметричных режимах и осуществить их подробный анализ. Кроме того, расчеты токов сложнонесимметричного режима необходимы для корректировки уставок РЗ с целью обеспечения ее чувствительности к режимам аварийной сложной несимметрии, что позволит своевременно локализовать аварию, предотвратив нарушение нормальной работы системы электроснабжения и перерывы питания потребителей.

Степень научной разработанности проблемы.

Вопросами моделирования сверхпереходных режимов аварийной несимметрии СЭС, а также работы ее элементов в данных режимах занимались C.L. Fortesque, Н.Н. Щедрин, С.Б. Лосев и А.Б. Чернин, Г.Т. Адонц, В.Г. Гольдштейн, С.И. Гамазин и С.А. Цырук, В.П. Закарюкин и А.В. Крюков, И.П. Крючков. Работы П.С. Жданова, А.А. Горева, В.А. Веникова, Н.Д. Анисимовой, С.А. Ульянова, Э. Кимбарка, И.М. Марковича, Л.А. Жукова и ряда других ученых посвящены исследованию электромеханических ПП в режимах аварийной несимметрии. При моделировании ПП в несимметричных режимах особое внимание уделяется моделированию работы генераторов и систем их автоматического регулирования в условиях аварийной несимметрии, рассмотренному в работах Е.Я. Казовского, Р.А. Лютера, Г.Н.

Тер-Газаряна, Л.Г. Дубинина, М.Е. Гольдштейна, К.П. Ковача и И. Раца.

Обзор литературных источников показал, что большинство из них посвящены исследованию режимов работы энергосистем без учета особенностей СЭС, мало освещены вопросы моделирования несимметричных аварийных режимов при произвольном сочетании поврежденных фаз. Отсутствуют математические модели узлов комплексной нагрузки, применимые для моделирования работы СЭС предприятия любой отрасли промышленности в режиме аварийной несимметрии. Весьма малое число работ посвящено исследованию работы турбогенераторов в несимметричных режимах.

Целью работы является повышение режимной надежности систем промышленного электроснабжения за счет увеличения чувствительности и быстродействия устройств релейной защиты в режимах сложной аварийной несимметрии.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать алгоритм расчета сверхпереходных несимметричных аварийных режимов при продольной, поперечной и сложной несимметрии.

2. Разработать алгоритм расчета ПП, а также математические модели синхронных генераторов в режимах аварийной несимметрии любого вида.

3. Разработать методику получения характеристик узлов комплексной нагрузки (КН) в режимах аварийной несимметрии.

4. Осуществить программную реализацию разработанных моделей и алгоритмов.

5. Провести анализ сверхпереходных режимов и ПП в условиях аварийной несимметрии в сетях 110-220 кВ Магнитогорского энергоузла. Оценить чувствительность РЗ в режимах сложной несимметрии, проанализировать сверхпереходные режимы и выполнить оценку динамической устойчивости генераторов собственных электростанций по результатам расчета ПП в случае отсутствия срабатывания защиты.

6. Разработать рекомендации по повышению чувствительности РЗ сетей 110220 кВ системы электроснабжения ОАО «ММК» в сложнонесимметричных аварийных режимах.

Методы исследования. Решение поставленных задач основано на вычислительном эксперименте и теоретических исследованиях, теории аварийных режимов электроэнергетических систем и динамической устойчивости, теории электрических машин, методах симметричных составляющих, последовательного эквивалентирования, последовательных интервалов. Вычислительные эксперименты выполнялись с использованием оригинального программного обеспечения.

Достоверность и обоснованность научных результатов, выводов и рекомендаций подтверждается:

1. Корректным использованием методов симметричных составляющих, последовательного эквивалентирования и последовательных интервалов.

2. Формированием расчетной схемы на основе схемы питающих и распределительных сетей Магнитогорского энергоузла и технической информации о реальном электрооборудовании.

3. Использованием апробированных программных пакетов статистической обработки данных.

Научная новизна.

1. Разработан алгоритм расчета сверхпереходных аварийных режимов однократной продольной и поперечной несимметрии, а также сложнонесимметричного режима работы системы промышленного электроснабжения. Алгоритм позволяет осуществить расчет параметров аварийного режима в фазных и симметричных координатах с получением результатов расчета для всех узлов и ветвей расчетной схемы. Разработанный алгоритм отличается возможностью моделирования аварийного режима при любом сочетании поврежденных фаз, причем расчет режима сложной несимметрии возможен при несовпадении фаз с обрывом и КЗ.

2. Разработан алгоритм расчета переходных электромеханических процессов системы промышленного электроснабжения с собственными электростанциями в режимах аварийной несимметрии любого вида. Разработанный алгоритм основан на созданной математической модели синхронного генератора в режимах аварийной несимметрии, учитывающей возникновение знакопеременных и дополнительных моментов на валу генератора и их влияние на ход переходного процесса. Разработанный алгоритм позволяет выполнить оценку динамической устойчивости СЭС в режимах аварийной несимметрии.

3. Разработаны математические модели основных электроприемников СЭС промышленного предприятия: регулируемых и нерегулируемых электроприводов переменного и постоянного тока, а также дуговых сталеплавильных печей, описывающие их поведение в условиях нарушения симметрии питающего напряжения. На основе анализа поведения электроприемников разного вида в несимметричных режимах разработана методика получения характеристик узлов КН в режиме аварийной несимметрии с учетом удельного веса электроприемников различного вида. Полученная методика позволяет моделировать узлы нагрузки СЭС промышленного предприятия любой отрасли промышленности.

Практическая значимость результатов работы.

1. Созданное оригинальное ПО позволяет выполнить анализ сверхпереходных режимов аварийной несимметрии и переходных процессов с целью оценки условий работы электрооборудования и определения параметров срабатывания устройств РЗ, оценить динамическую устойчивость генераторов собственных электростанций в аварийном несимметричном режиме.

2. Разработанный программный комплекс может быть использован в работе служб расчета и анализа режимов СЭС промышленных предприятий с собственными электростанциями в составе программного обеспечения рабочего места инженера по расчету режимов.

3. Применительно к условиям системы электроснабжения ОАО «ММК» разработаны мероприятия по повышению чувствительности устройств РЗ к режимам аварийной сложной несимметрии с целью снижения ущерба от возникновения дополнительных потерь мощности в сети и сокращения срока службы электрооборудования.





Реализация результатов работы.

1. Создано ПО, предназначенное для расчета и анализа сверхпереходных параметров и переходных процессов в режимах аварийной несимметрии любого вида. На программное обеспечение получены два свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010617441 от 11.11.2010 г. и № 2012612069 от 7.11.2011 г. в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам «Роспатент».

2. ПО прошло апробацию в группе режимов центральной электротехнической лаборатории ОАО «ММК» с получением положительного заключения и последующим внедрением в эксплуатацию (договор на НИОКР № 180735 от 03.03.2010 между ГОУ ВПО «МГТУ» и ОАО «ММК»).

3. Разработаны мероприятия по повышению чувствительности и быстродействия РЗ линий 110-220 кВ системы электроснабжения ОАО «ММК» в условиях режима аварийной сложной несимметрии. Ожидаемый экономический эффект от внедрения предложенных мероприятий составляет 1,58 млн. руб.

4. Теоретические и практические результаты работы использованы при проведении лекционных и практических занятий по дисциплинам «Переходные процессы в электроэнергетических системах» и «Релейная защита и автоматика систем электроснабжения», а также при выполнении курсовых и дипломных проектов для студентов направления 140200 «Электроэнергетика» и специальности 140211 «Электроснабжение».

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Алгоритм расчета сверхпереходных параметров режима аварийной продольной и поперечной несимметрии, а также сложнонесимметричного режима при любом сочетании поврежденных фаз.

2. Алгоритм расчета переходных процессов при несимметричных повреждениях в системе промышленного электроснабжения с собственными электростанциями с учетом возникновения дополнительных и знакопеременных моментов генераторов в несимметричном режиме.

3. Математические модели основных электроприемников промышленного предприятия, адаптированные к расчету режимов аварийной несимметрии.

4. Методика получения характеристик узлов КН любого состава в условиях нарушения симметрии питающего напряжения.

Апробация работы.

Основные положения, выносимые на защиту диссертации, и основные аспекты глав обсуждались на следующих научно-технических конференциях и семинарах: Международная науч.-техн. конференция «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (г. Тольятти, 2009 г.); IV и V Международные молодежные науч. конференции «Тинчуринские чтения» (г. Казань, 2009, 2010 гг.); VIII, IX, X и XI Международные научнопрактические конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. Санкт-Петербург, 2009, 2010, 2011 гг.); Международная науч.-техн. конференция студентов, магистрантов, аспирантов «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов» (г. Тольятти, 2009 г.); XVI и XVIII Международные науч.-техн.

конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2010, 2012 гг.); Международная науч.-практ. конференция «Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах» (г. Пенза, 2010 г.); 11-я Всероссийская науч.-практ.

конференция студентов, аспирантов и специалистов «Энергетики и металлурги настоящему и будущему России» (г. Магнитогорск, 2010 г.); Международная научно-практическая конференция «Энергосбережение в теплоэнергетике и теплоэлектротехнологиях» (г. Омск, 2010 г.); Всероссийская конференция «Научно-исследовательские проблемы в области энергетики и энергосбережения» (г. Уфа, 2010 г.); 67-я, 68-я и 69-я Межрегиональные научнотехнические конференции «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования» (г. Магнитогорск, 2009, 2010, 2011 гг.); IV Международная научно-практическая конференция «Энергетика и энергоэффективные технологии» (г. Липецк, 2010 г.); III Всероссийская научно-техническая конференция (с международным участием) «Электропривод, электротехнологии и электрооборудование предприятий» (г. Уфа, 2011 г.); VII Всероссийская конференция «Молоджь и наука» (г. Красноярск, 2011 г.); Международная научно-техническая конференция «Электроэнергетика глазами молодежи» (г. Самара, 2011 г.); XVII Всероссийская научно-техническая конференция «Энергетика: Эффективность, надежность, безопасность» (г. Томск, 2011 г.).

Диссертационная работа рекомендована к защите расширенным заседанием кафедры электроснабжения промышленных предприятий института энергетики и автоматики ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» (12 апреля 2012 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 20 печатных работ, в том числе 5 в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации материалов диссертационных работ, 1 монография.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, библиографического списка из 167 наименований и 9 приложений. Объем работы включает 157 страниц основного текста, в том числе 28 рисунков и 11 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель, задачи, научная новизна и практическая значимость, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен анализ существующих методов расчета режимов аварийной несимметрии, переходных процессов в указанных режимах, математических моделей синхронных генераторов и их систем автоматического регулирования, а также основных электроприемников. Рассмотрены программы расчета режимов электроэнергетических систем.

Анализ показал, что алгоритмы расчета сложнонесимметричных режимов с произвольным сочетанием поврежденных фаз недостаточно проработаны. Математические модели синхронных машин в переходном несимметричном режиме предполагают большое число допущений. Отсутствуют модели частотно-регулируемого электропривода при нарушении симметрии питающего напряжения. Не разработана методика представления КН в расчете режима аварийной несимметрии. Существующие на сегодняшний день программные комплексы не ориентированы на расчет режимов систем промышленного электроснабжения с собственными электростанциями.

Вторая глава посвящена разработке математических моделей электроприемников в сверхпереходных и переходных режимах аварийной несимметрии. В работе созданы математические модели нерегулируемого и частотно-регулируемого электропривода переменного тока, электропривода постоянного тока и электротехнологических установок.

Модель асинхронного двигателя (АД) построена на основе Г-образной схемы замещения и учитывает зависимость сопротивления от скольжения двигателя. В расчет несимметричного режима АД и синхронные электродвигатели (СД) задаются в виде расчетного эквивалента, характеризующегося проводимостями прямой и обратной последовательности, величины которых зависят не только от номинальных параметров двигателя, но и от напряжений симметричных составляющих на его зажимах.

Основную сложность при моделировании частотно-регулируемого электропривода составляет получение выходного напряжения преобразователя частоты (ПЧ) в условиях нарушения симметрии питающего напряжения.

Так как при питании ПЧ несимметричным напряжением на его выходе получается симметричное несинусоидальное напряжение, то для определения параметров расчетного эквивалента «ПЧ-двигатель» в работе разработан алгоритм (рис. 1) определения основной гармоники выходного напряжения ПЧ как с непосредственной связью, так и двухзвенного (ДПЧ). Так как в состав ДПЧ входит выпрямитель, то алгоритм определения среднего напряжения на выходе выпрямителя в несимметричном режиме, являющийся частью алгоритма расчета основной гармоники выходного напряжения двухзвенного ПЧ, положен в основу математической модели электропривода постоянного тока.

Одними из наиболее крупных электроприемников в системе промышленного электроснабжения являются дуговые сталеплавильные печи, проводимость которых в несимметричном режиме предлагается определять с учетом не только активной и реактивной мощности, но и пульсирующей мощности, вызывающей дополнительные потери в сети и оказывающей влияние на эффективное использование электротехнологических установок.

Параметры расчетных эквивалентов определяются отдельно для схем прямой и обратной последовательности. В схеме замещения нулевой последовательности данные электроприемники представляют собой бесконечно большое сопротивление.

В третьей главе описаны разработанные алгоритмы расчета сверхпереходных режимов и переходных процессов в условиях аварийной несимметрии сетей 110-220 кВ системы промышленного электроснабжения.

Алгоритм расчета сверхпереходного режима предполагает возможность моделирования продольной, поперечной и сложной несимметрии при произвольном сочетании поврежденных фаз.

Начало Расчет исходного симметричного режима Расчет режима аварийной несимметрии с определением амплитуды фазных напряжений на входе преобразователя Расчет глубины модуляции с учетом закона управления преобразователем частоты Цикл для n интервалов да да нет ubc(n)>uab(n) ud(n)=ubc(n) ud(n)=uab(n) uаb(n)>ubc(n) uаb(n)>uca(n) ubc(n)>uca(n) нет нет Управляемый ud(n)=uac(n) выпрямитель нет да ud(n)>ud(n-1) umax umin ud.cp(n) umin Учет угла да управления ud(n)=ud.min t=/ ud(n)=ud.max нет t(n)

Для моделирования неполнофазного режима предлагается задавать границы несимметричного участка. Для этого в схему вводятся дополнительные элементы с Т-образной схемой замещения с ЭДС в поперечной ветви (рис. 2). Величина ЭДС зависит от вида повреждения. Напряжение Uисх запоминается из расчета предшествующего доаварийного режима. Для опреде ления добавочной ЭДС E выявляется граница неполнофазного участка с наибольшим напряжением ( Umax ). Для нее добавочная ЭДС равна нулю. Для остальных границ E определяется как разложенное на симметричные составляющие падение напряжения на участке между текущим элементом и элементом с наибольшим напряжением. ЭДС в месте повреждения определя ется как Eразр Uисх Е1, Eразр2 Е2 и Eразр0 Е0.

СЭС промышленного предприятия содержит большое число парных линий, поэтому для исключения влияния разр в поперечной ветви элементаграницы неполнофазного участка на параллельную линию в продольную ветвь элемента-границы с ненулевой добавочной ЭДС вводится проводимость, которая рассчитывается исходя из условий неполнофазного режима следующим образом: Y1 1 U1 I1, Y2 1 U2 I2, Y0 1 U0 I0, где U1, U2, U0 – напряжения прямой, обратной и нулевой последовательностей на элементегранице в неполнофазном режиме; I1, I2, I0 – токи симметричных составляющих, протекающие через элемент-границу в неполнофазном режиме.

......

Uкз1min, Uкз2max, Uкз0max Uкз1max, Uкз2min, Uкз0min.

Uкз Y21 Y11 YY Y1ВН Y2ВН кз(нф)1кз(нф)1=кз(нф)2=кз(нф)2кз(нф)0=кз(нф)0 E1к(нф) U1кз Eкз(нф) E2к(нф) U2кз Eкз(нф) Рис. 2. Схема замещения поврежденного участка в сложнонесимметричном режиме Начальным этапом расчета режима сложной несимметрии является расчет исходного симметричного режима методом последовательного эквивалентирования. Затем рассчитывается неполнофазный режим с последующим определением продольной проводимости симметричных составляющих элемента-границы, который является точкой КЗ. Далее рассчитывается заданный режим КЗ. В результате определяется добавочная ЭДС в симметричных координатах как падение напряжения на поврежденном участке в режиме КЗ. Для определения падения напряжения выполняется сравнение напряжений симметричных составляющих на элементах-границах поврежденного участка. Добавочная ЭДС определяется как разница между максимальным и минимальным напряжениями на элементах-границах поврежденного участка в режиме КЗ. Для моделирования требуемого неполнофазного режима полученная ЭДС раскладывается на симметричные составляющие согласно приведенным на рис. 3 выражениям и вводится в схему замещения элемента с минимальным напряжением в режиме КЗ.

Кроме режимов аварийной несимметрии, возникающих в результате какого-либо повреждения в сетях самого исследуемого объекта, могут иметь место аварийные режимы в сетях, питающих рассматриваемую СЭС, также оказывающие влияние на симметрию напряжения. Для исследования таких режимов в данной работе разработана математическая модель узла бесконечной мощности с несимметричными фазными напряжениями, параметрами которого являются модули и углы фазового сдвига фазных напряжений и сопротивления симметричных составляющих.

Расчет режима аварийной несимметрии любого вида выполняется отдельно для схем замещения прямой, обратной и нулевой последовательности с последующим определением фазных параметров.

Для оценки динамической устойчивости системы промышленного электроснабжения разработан алгоритм расчета электромеханического ПП в несимметричном аварийном режиме, основанный на сочетании методов последовательного эквивалентирования, симметричных составляющих и последовательных интервалов. Согласно разработанному алгоритму сначала рассчитывается исходный симметричный режим с определением параметров режима на зажимах каждой машины, далее выполняется расчет режима аварийной несимметрии и определяется небаланс активной мощности на валу генератора как разница мощности на валу турбины, синхронной и асинхронной мощностей и мощности, обусловленной действием регулятора скорости турбины. На каждом шаге интегрирования выполняется расчет квазиустановившегося режима с определением угла и скорости генератора, а также приращений этих величин.

В разработанном алгоритме предусмотрена возможность учета дополнительных и знакопеременных моментов, возникающих на валу генераторов в режимах аварийной несимметрии и приводящих не только к дополнительной загрузке генератора, но и к колебанию скорости и угла ротора в ходе ПП.

Так как в сложнонесимметричных режимах с произвольным сочетанием поврежденных фаз нельзя выделить особую фазу, то вид несимметрии и расчетные выражения для определения дополнительных моментов определяют- Начало Ввод исходных данных Расчет исходного симметричного режима методом последовательного эквивалентирования КЗ Вид повреждения k=Определение к1, к2 и В Неполнофазный режим к0 в зависимости от Б В Цикл для n=0,1 интервалов вида КЗ и наименования да Г Цикл для i границ поврежденного участка k=поврежденных фаз нет =нет..

Ui=Uисх.min да Вид продольной Расчет неполнофазного...

несимметрии режима U=Uисх.max-Uисх.min L(C,A) E1 U 2 E1 U 1 3 1 3 3 E1 U E2 ImU j ImU ReU 1 6ReU 6 1 E2 E0 U 6 6 E2 ReU ImU 6 6 1 3 1 3 E0 ImU j ImU ReU 6ReU 6 1 6 6 E1 E2 j ImU ReU 6 2 E1 U 1 3 1 3 E2 ReU ImU j ImU ReU 1 E0 U 3 E0 ReU ImU 6 6 6 6 6 6 А 1 3 1 3 E0 ImU j ImU ReU 1 6ReU 6 j ImU ReU 6 6 k=6 да нет.

1 да 1 3 1 i1=Uисх+1 E1 U E2 ReU ImU j ImU ReU А n=i2=2; i0=0 3 6 6 6 Расчет продольного нет.

сопротивления 1 3 1 i1=Uисх.1+1 E0 ReU ImU j ImU ReU. Б Г i2=U.исх.2+6 6 6 i0=Uисх.0+нет СложнонесимметК(3) К(2) К(1,1) К(1) Б ричный режим В Eк1 Eк2 Eк1 Eк2 k= Eк1 Eк2 Eк0 Eк1 Uисх да Вид КЗ Расчет режима КЗ Uисх 1 Eк2 Eк0 1Uисх Eк0 Uисх 3 Рис. 3. Алгоритм расчета сверхпереходного несимметричного режима ( А ) L ( B ) L ( B,C ) L ( C ) L ( A,B ) L ся исходя из соотношения фазных токов на зажимах каждого генератора.

На заключительном этапе расчета определяются ЭДС и токи генератора с учетом ЭДС от действия возбудителя, которая обусловлена действием АРВ либо форсировки возбуждения. В расчет промежуточного режима генератор задается ЭДС E' и углом '' между E' и напряжением, что позволяет выполнить переход из осей «dq» в оси «j+».

В четвертой главе выполнен расчет и анализ неполнофазных и сложнонесимметричных сверхпереходных режимов и переходных процессов при повреждениях линий сети 110-220 кВ Магнитогорского энергоузла (МЭУ), образованного узловыми подстанциями (ПС) ПС №30, ПС №60, ПС №90, ПС №77, системными подстанциями «Смеловская» и «Магнитогорская» (М500) и собственными электростанциями, наиболее крупными из которых являются ТЭЦ (330 МВт), ЦЭС (191 МВт) и ПВЭС-1,2 (107 МВт).

Для получения выражений, описывающих поведение узлов КН любого состава в несимметричном режиме предложена следующая методика:

1) создать схему узла нагрузки требуемого состава, получающего питание от источника бесконечной мощности с несимметричными фазными напряжениями; 2) выполнить серию расчетов несимметричных режимов, пошагово изменяя модули и фазовые сдвиги напряжений узла бесконечной мощности, а также состав узла нагрузки; 3) по результатам выполненных расчетов зафиксировать значения напряжений, активной и реактивной мощности симметричных составляющих, потребляемой узлом нагрузки; 4) выполнить статистическую обработку результатов расчета с получением уравнений множественной регрессии, описывающих зависимость активной и реактивной мощности симметричных составляющих от напряжений прямой и обратной последовательности и удельного веса электроприемников различного типа в общем составе узла КН.

С использованием разработанной методики были получены регрессионные уравнения, описывающие поведение узла КН в режиме аварийной несимметрии с учетом удельного веса электроприемников различного типа в общем составе нагрузки. Так, активная мощность прямой последовательности узла КН: P1=(1,04U1-0,04U12)KСД+(-0,07U1+1,07U12)KАД+(1,41U10,4U12)KНПЧ-АД+(4,04U1-2,97U12)KДПЧ-СД+(-0,24U1+1,87U12)KДПЧ-АД+(1,49U10,4U12)KДПТ, где U1 – напряжение прямой последовательности в долях напряжения в исходном режиме; KСД – доля синхронных двигателей в общем составе электроприемников узла нагрузки; KАД – доля асинхронных двигателей; KНПЧ-АД – доля асинхронных двигателей, получающих питание от непосредственного преобразователя частоты; KДПЧ-СД – доля синхронных двигателей, получающих питание от двухзвенного преобразователя частоты; KДПЧ-АД – доля асинхронных двигателей, получающих питание от двухзвенного преобразователя частоты; KДПТ – доля электроприводов постоянного тока.

Аналогично получены уравнения, описывающие зависимость активной и реактивной мощности симметричных составляющих от напряжения и удельного веса электроприемников различного типа в общем составе КН.

С использованием разработанного программного комплекса и полученных моделей КН выполнена серия расчетов сверхпереходных неполнофазных и сложнонесимметричных режимов, а также ПП при сложных повреждениях в сети 110-220 кВ.

Наиболее неблагоприятное влияние режимы аварийной несимметрии оказывают на уровень напряжения в сети, а также на загрузку электрооборудования. Однако возникновение неполнофазных режимов незначительно сказывается на изменении уровней напряжений в МЭУ. Так в рассмотренных режимах, остаточные напряжения не достигают значений ниже 93 %. Загрузка АТ в рассмотренных неполнофазных режимах оказалась в допустимых пределах. Наиболее тяжелыми по загрузке линий 110-220 кВ являются сверхпереходные режимы при обрывах как одной, так и двух фаз линии ПС №96 – ЦЭС, где перегрузка достигает 2,2.

Возникновение сложнонесимметричных аварийных режимов приводит к значительному искажению симметрии напряжений в сети. Т.к. режимы сложной несимметрии могут существовать длительное время, то необходимо оценить коэффициенты несимметрии по обратной и нулевой последовательностям. При рассмотренных повреждениях данные показатели во всех точках сети превышают нормально допустимое по ГОСТ 13109-97 значение (2 %).

Наиболее сильное влияние снижение уровня напряжения оказывает на работу электродвигателей собственных нужд электростанций (ЭС), а именно на условия их самозапуска. Для неблочных ЭС критический уровень остаточного напряжения U1=55 % от напряжения в исходном режиме. Из проведенного исследования сделан вывод, что ЦЭС находится в более тяжелых условиях, чем ТЭЦ, т.к. напряжение на ее шинах оказывается ниже критического уровня в большинстве рассмотренных режимов.

В большинстве случаев токи сложнонесимметричных режимов либо соизмеримы с токами соответствующего КЗ, либо значительно меньше, что может привести к отсутствию срабатывания устройств РЗ, отстроенных по режимам КЗ, и длительному существованию сложнонесимметричного режима. Т.о., необходимо проанализировать существующие уставки РЗ линий сетей 110-220 кВ с целью расчета коэффициентов чувствительности (kч) в режимах сложной несимметрии. Оценка kч ДФЗ линий показала, что режимы аварийной сложной несимметрии при повреждениях ряда линий не будут ликвидированы действием РЗ, т.к. kч не удовлетворяют требованиям ПУЭ и оказались менее 2. Следовательно, требуется корректировка уставок ДФЗ с целью повышения ее чувствительности к режимам сложной несимметрии.

Рекомендуемые уставки ДФЗ, а также расчетные kч приведены в табл. 1.

По результатам расчетов ПП при повреждениях данных линий сделаны выводы о сохранении динамической устойчивости генераторов собственных ЭС и влиянии дополнительных и знакопеременных моментов на ход переходного процесса в несимметричном режиме, проанализированы уставки по времени дистанционной защиты (ДЗ) линий и сделан вывод, что они находятся в допустимых пределах, т.к. динамическая устойчивость генераторов сохраняется во всех рассмотренных режимах (см. табл. 2).

Таблица Рекомендуемые уставки ДФЗ Рекомендуемая Рекомендуемая Наименование линии Iнагр, 3I0.авар., 3I0.расч., уставка пускового уставка отключаю- kч и тип защиты А А А органа по 3I0 щего органа по 3IПС №60 – 431 1890 9,45 200 400 3,ПС «Смеловская» (ДФЗ-201) ПС №60 – ПС М500 (ДФЗ-201) 241 240 32 100 200 1,ПС 63 – ТЭЦ (ШЭ 2607 081) 193 1650 220 300 600 3,ПС №77 – ПС М5395 2180 291 300 600 3,(ШЭ 2607 081) ПС №77 – ПС №276 1700 227 300 600 3,(ШЭ 2607 081) Таблица Оценка быстродействия дистанционной защиты линий 110-220 кВ При отсутствии При срабатывании ДЗ Место повреждения срабатывания РЗ Генератор max, эл.град. tmax, с tДЗ, с Генератор max, эл.град. tmax, с ГПЭС Г-1 180 4,С №60 – ГПЭС Г-2 180 4,1 0,8 ГПЭС Г-1 56,92 0,ПС Смеловская ГПЭС Г-3 180 4,ПС №60 – ПС М500 ЦЭС ТГ-7 60,8 0,58 0,8 ЦЭС ТГ-7 59,34 0,ТЭЦ ТГ-1 180 1,ТЭЦ ТГ-4 180 0,ПС №63 – ТЭЦ 1,2 ЦЭС ТГ-7 47,53 2,ТЭЦ ТГ-5 180 1,ТЭЦ ТГ-6 180 1,ЦЭС ТГ-8 180 1,ГПЭС Г-1 180 1,ПС №77 – ПС М500 1,7 ЦЭС ТГ-8 155,64 1,ГПЭС Г-2 180 1,ГПЭС Г-3 180 3,ТЭЦ ТГ-1 180 3,ТЭЦ ТГ-4 180 1,ПС №77 – ПС №90 0,8 ТЭЦ ТГ-5 57,35 0,ТЭЦ ТГ-5 180 1,ТЭЦ ТГ-6 180 2,Экономическая эффективность предложенных мероприятий определяется снижением ущерба от дополнительных потерь в сети и снижения срока службы крупных электродвигателей в несимметричных режимах. Ожидаемый экономический эффект, применительно к электрооборудованию ЛПЦ-ОАО «ММК», составляет 1,58 млн. руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Рассмотренные в диссертационной работе теоретические и практические исследования, направленные на повышение режимной надежности систем электроснабжения промышленных предприятий, имеющих сложнозамкнутую структуру и собственные электростанции, за счет обеспечения чувствительности и быстродействия релейной защиты линий сети 110-220 кВ в режимах сложной аварийной несимметрии, позволяют сформулировать следующие результаты:

1. Разработан алгоритм расчета сверхпереходного аварийного несимметричного режима при возникновении в сети однократной продольной, поперечной либо сложной несимметрии, позволяющий выполнить анализ изменения уровней напряжения в сети и токов в аварийном режиме с целью оценки условий работы электрооборудования и коррекции уставок релейной защиты.

2. С целью анализа динамической устойчивости генераторов собственных электростанций в аварийных несимметричных режимах системы промышленного электроснабжения разработан алгоритм расчета электромеханических ПП, предусматривающий учет дополнительных и знакопеременных моментов синхронных машин в режиме аварийной несимметрии.

3. Предложены математические модели основных электроприемников СЭС промышленного предприятия, к которым относятся нерегулируемый электропривод переменного тока, частотно-регулируемый электропривод, электропривод постоянного тока и дуговые сталеплавильные печи. Полученные модели предназначены для описания поведения электроприемников в условиях искажения симметрии питающего напряжения.

4. С целью упрощения расчетной схемы и сокращения времени счета разработана методика определения характеристик узлов нагрузки различного состава в режиме аварийной несимметрии питающей сети. Полученные с использованием предложенной методики характеристики узлов нагрузки позволяют моделировать разнородные группы электроприемников в виде КН.

5. Разработан и отлажен программный комплекс расчета и анализа сверхпереходных режимов и переходных процессов при возникновении в системе промышленного электроснабжения аварийной несимметрии любого вида.

Программный комплекс опробован и внедрен в группе режимов центральной электротехнической лаборатории ОАО «ММК». Получены два свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010617441 от 11.11.2010 г. и № 2012612069 от 7.11.2011 г. в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам «Роспатент».

6. С целью апробации разработанных моделей и алгоритмов с использованием созданного программного комплекса выполнен расчет аварийных несимметричных режимов в условиях системы электроснабжения ОАО «ММК», выполнен анализ токораспределения, изменения уровней напряжений, искажения симметрии напряжений, загрузки линий сетей 110-220 кВ в неполнофазных режимах, а также оценка динамической устойчивости генераторов собственных электростанций. На основе результатов расчета сложнонесимметричных режимов выполнена оценка чувствительности дифференциальнофазной защиты линий сети 110-220 кВ и разработаны мероприятия по коррекции уставок данных защит.

7. Разработанный программный комплекс может быть рекомендован к использованию в службах расчета и анализа режимов и службах релейной защиты промышленных предприятий любой отрасли.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в ведущих периодических изданиях из перечня ВАК РФ 1. Малафеев А.В., Панова Е.А. Алгоритм расчета сложнонесимметричных режимов систем электроснабжения промышленных предприятий // Главный энергетик. — 2011. — №3. — С. 35–39.

2. Малафеев А.В., Буланова О.В., Панова Е.А., Григорьева М.В. Анализ режимов несимметричных коротких замыканий в сложных системах электроснабжения с собственными электростанциями // Промышленная энергетика.

— 2010. — №3.— С. 26–31.

3. Панова Е.А., Григорьева М.В., Малафеев А.В., Буланова О.В., Игуменщев В.А. Анализ токов и напряжений в режимах несимметричных коротких замыканий в сетях 110-220 кВ Магнитогорского энергоузла // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. — 2010. — №4. — С. 77–81.

4. Малафеев А.В., Панова Е.А., Беляев С.В., Емельянов А.А., Альбрехт А.Я., Биктеева О.Ю. Моделирование неполнофазных аварийных режимов в задаче расчета и анализа работы систем промышленного электроснабжения // Известия вузов. Электромеханика. — 2011. — №4. — С. 119–123.

5. Малафеев А.В., Панова Е.А. Расчет переходных процессов систем промышленного электроснабжения в неполнофазных режимах и при сложных повреждениях с учетом дополнительных и пульсационных моментов турбогенераторов // Вести вузов Черноземья. — 2011. — №1. — С. 13–17.

Публикации в прочих изданиях 6. Малафеев А.В., Панова Е.А., Емельянов А.А., Беляев С.В. Алгоритм расчета параметров режима систем электроснабжения промышленных предприятий при возникновении продольной несимметрии // Высокие технологии, образование, промышленность. Т.1. : сборник трудов 11-й междунар. науч.практич. конф. «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности» 27-29.04.2011, СанктПетербург, Россия / под ред. А.П. Кудинова. — СПб. : Изд-во Политехн. унта, 2011. — С. 386–387.

7. Панова Е.А., Малафеев А.В. Анализ несимметричных аварийных режимов в промышленных системах электроснабжения // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: XVI Междунар. науч.-тех. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3 т. Т. 3. — М.: Изд. дом МЭИ, 2010. — С. 391–392.

8. Игуменщев В.А., Малафеев А.В., Буланова О.В., Панова Е.А., Григорьева М.В. Влияние схемных факторов на режимы несимметричных коротких замыканий в сетях 110-220 кВ магнитогорского энергоузла // Электротехнические системы и комплексы: Межвузовский сб. науч. тр.

Вып. 17 — Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. — С. 106–107.

9. Панова Е.А., Малафеев А.В. Задача анализа режимов продольной несимметрии в системах электроснабжения // Материалы докладов V Междунар.

молодежной науч. конф. «Тинчуринские чтения» / Под общ. ред. д-ра физмат. наук, проф. Ю.Я. Петрушенко. В 4 т.; Т.1. — Казань: Казан. гос. энерг.

ун-т, 2010. — С. 191–192.

10. Малафеев А.В., Буланова О.В., Панова Е.А. Исследование режимов несимметричных коротких замыканий с целью проверки оборудования и оценки устойчивости // Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов: сб. трудов Междунар. науч.-техн. конф. студентов, магистрантов и аспирантов 10-12.10.2009г. — Тольятти: ТГУ, 2009. — С. 143–146.

11. Панова Е.А., Беляев С.В., Емельянов А.А. Математическое моделирование сложных видов аварийной несимметрии с целью оценки чувствительности релейной защиты // Научно-исследовательские проблемы в области энергетики и энергосбережения: сб. тр. — Уфа: УГАТУ, 2010. — С. 137–139.

12. Панова Е.А. Математическое моделирование узлов комплексной нагрузки, содержащих частотнорегулируемый электропривод, в задаче расчета аварийных несимметричных режимов систем промышленного электроснабжения // Энергетика: Эффективность, надежность, безопасность: материалы XVII Всерос. науч.-техн. конф. / Томский политехнический университет. — Томск: Изд-во «СПБ ГРАФИКС», 2011. — С. 50-52.

13. Панова Е.А., Малафеев А.В. Моделирование аварийных режимов при несимметричных коротких замыканиях и сложных повреждениях с учетом пульсационных и дополнительных моментов турбогенераторов с целью обеспечения устойчивой работы генераторов промышленных электростанций // Молоджь и наука: в 3 т.: материалы конф. Т.3 / отв. за выпуск О.А. Краев.

— Красноярск: Сибирский федеральный ун-т, 2011. — С. 415.

14. Панова Е.А., Малафеев А.В., Буланова О.В. Моделирование и исследование сложнонесимметричных аварийных режимов в системах промышленного электроснабжения // Электроэнергетика глазами молоджи: научные труды междунар. науч.-техн. конф.: сборник статей. В 3 т. Т.1. — Самара: СамГТУ, 2011. — С. 116–121.

15. Малафеев А.В., Панова Е.А. Моделирование неполнофазных режимов с учетом наименования поврежденных фаз // Сборник докладов IV междунар.

науч.-практ. конф. «Энергетика и энергоэффективные технологии». — Липецк: ЛГТУ, 2010. — С.33–34.

16. Панова Е.А., Ирклиенко И.В., Болтачев В.А., Малафеев А.В. Моделирование сложнонесимметричных повреждений в сетях 110-220 кВ в задаче расчета и анализа режимов систем промышленного электроснабжения // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: XVIII междунар. науч.-техн.

конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 4 т. Т. 3. М.: Издательский дом МЭИ, 2012. — С. 168.

17. Буланова О.В., Малафеев А.В., Николаев Н.А., Ротанова Ю.Н., Панова Е.А. Определение асинхронной мощности синхронных генераторов в расчетах электромеханических переходных процессов при несимметричных режимах // Электрика. — 2010. — №8. — С. 24–26.

18. Игуменщев В.А., Заславец Б.И., Николаев Н.А., Малафеев А.В., Буланова О.В., Кондрашова Ю.Н., Панова Е.А. Оценка эффективности релейной защиты в сетях 110-220 кВ сложных систем электроснабжения промышленных предприятий с собственными электростанциями: монография. — Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. ун-та, 2011. — 141 с.

19. Малафеев А.В., Панова Е.А., Емельянов А.А., Беляев С.В. Расчет и анализ неполнофазных режимов в сети 110-220 кВ в условиях магнитогорского энергетического узла // Электропривод, электротехнологии и электрооборудование предприятий: сборник научных трудов III Всерос. науч.-техн. конф.

(с междунар. участием) / редкол.: В.А. Шабанов и др. — Уфа: ИД «Чурагул», 2011. — С. 282.

20. Панова Е.А., Малафеев А.В. Учет работы автоматических регуляторов возбуждения при моделировании несимметричных аварийных режимов систем электроснабжения // Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах: сб. статей Междунар. науч.практ. конф. — Пенза: Приволжский Дом знаний, 2010. — С. 71–73.

21. Игуменщев В.А., Малафеев А.В., Буланова О.В., Ротанова Ю.Н., Панова Е.А., Николаев Н.А., Зиновьев В.В. А.с. 2010617441 РФ. Программа для ЭВМ «Расчет и оптимизация установившихся и переходных эксплуатационных режимов систем электроснабжения промышленных предприятий при параллельной и раздельной работе с энергосистемой с учетом действия релейной защиты» // ОБПБТ. – 2011. - №1. – С. 226.






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.