ИССЛЕДОВАНИЕ ГАРМОНИЧЕСКОГО СОСТАВА В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ ПОВЕРХНОСТНОГО КОМПЛЕКСА ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫХ УГОЛЬНЫХ ШАХТ

Решетняк М. Ю. Reshetnyak M. Yu.

ассистент кафедры «Энергетика и энергоэффективность горной промышленности», ФГАОУВО «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», г. Москва, Российская Федерация

УДК 621.395.66 DOI: 10.17122/1999-5458-2019-15-4-61-67

ИССЛЕДОВАНИЕ ГАРМОНИЧЕСКОГО СОСТАВА В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ ПОВЕРХНОСТНОГО КОМПЛЕКСА ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫХ УГОЛЬНЫХ ШАХТ

В последнее время достаточно остро стоит вопрос снижения себестоимости добычи угля подземным способом. Этот фактор обусловлен значительными колебаниями цен на уголь в мировом масштабе. Россия входит в число стран-экспортеров угля на мировой рынок и занимает шестое место по объемам поставок. Нестабильность цен на мировом рынке углеводородов, а также увеличение числа месторождений со сложными горно-геологическими условиями вынуждают отечественные и зарубежные угледобывающие компании идти по пути разработки новых технологических и управленческих решений по снижению себестоимости добычи угля. Одним из таких решений следует назвать рост уровня энерговооруженности оборудования в высоконагруженных забоях угольных шахт, который обусловлен использованием современных высокопроизводительных механизированных комплексов. В настоящее время большинство высокопроизводительных комплексов угольных шахт включает в системы управления электроприводами технологических машин и установок преобразовательные устройства. Работа преобразовательных устройств связана со значительной генерацией высших гармоник в питающую электрическую сеть, негативно влияющих на качество электрической энергии в подземных сетях угольных шахт. Помимо негативного влияния в виде увеличения потерь в основных элементах подземной сети, высшие гармоники также негативно влияют на режимы работы оборудования, что сказывается на его характеристиках и производительности. По результатам проведенных экспериментальных исследований на понизительных подстанциях высокопроизводительной угольной шахты были получены коэффициенты и-ых гармонических составляющих напряжения, которые позволяют провести их оценку на соответствие параметрам качества электрической энергии. Установлено значительное отклонение фактических значений по суммарному коэффициенту гармонической составляющей от нормируемых ГОСТ 32144-2013 (для некоторых понизительных подстанции составляет превышение в 9,7 раза), что негативно влияет на работу основного технологического оборудования как на поверхности шахты, так и подземных условиях. В публикации предложено направление, способствующее контролю и улучшению качества электрической энергии в электрических сетях угольных шахт, в том числе опасных по внезапным выбросам газа и пыли.

Ключевые слова: электрическая энергия, угольная шахта, выемочный участок, электромагнитная совместимость, гармоники, энергетическая эффективность, показатели качества электрической энергии, гармоники.

HARMONIC COMPOSITION STUDY IN ELECTRICAL NETWORKS OF SURFACE COMPLEX OF HIGH-PERFORMANCE COAL MINE

Recently, the issue of reducing the cost of coal mining by underground method is quite acute. This factor is due to significant fluctuations in coal prices on a global scale. Russia is among the countries exporting coal to the world market and ranks sixth in terms of supplies. The instability of

ELEcTRicAL FAciLiTiES AND SYSTEMS

prices on the world market of hydrocarbons, as well as the increase in the number of deposits with complex mining and geological conditions force domestic and foreign coal mining companies to develop new technological and management solutions to reduce the cost of coal production. One of these solutions should be called the increase in the level of power equipment in high-loaded faces of coal mines, which is due to the use of modern high-performance mechanized complexes. Currently, the majority of high-performance complexes of coal mines includes conversion devices in the control systems of electric drives of technological machines and installations. The operation of the Converter devices is associated with a significant generation of higher harmonics in the power supply network, which negatively affect the quality of electrical energy in underground networks of coal mines. In addition to the negative impact in the form of increased losses in the main elements of the underground network, higher harmonics also negatively affect the operating modes of the equipment, which affects its characteristics and performance. According to the results of experimental researches on step-down substations high-performance coal mines was obtained the coefficients of the n-th harmonic voltage components that allow you to measure for compliance with the quality parameters of electric energy. A significant deviation of the actual values for the total coefficient of the harmonic component from the normalized GOST 32144-2013 (for some step-down substations is an excess of 9.7 times), which negatively affects the operation of the main process equipment both on the surface of the mine and underground conditions. In the publication the direction promoting control and improvement of quality of electric energy in electric networks of coal mines, including dangerous on sudden emissions of gas and dust is offered.

Key words: electrical energy, coal mine, excavation site, electromagnetic compatibility, harmonics, energy efficiency, quality indicators of electrical energy, harmonics.

В последнее время достаточно остро стоит проблема снижения себестоимости добычи угля подземным способом. Этот фактор обусловлен значительными колебаниями цен на уголь в мировом масштабе. Россия входит в число стран-экспортеров угля на мировой рынок и занимает в настоящее время шестое место по объемам поставок [1]. Нестабильность цен на мировом рынке углеводородов, а также увеличение числа месторождений со сложными горно-геологическими условиями вынуждают отечественные и зарубежные угледобывающие компании идти по пути разработки новых технологических и управленческих решений по снижению себестоимости добычи угля [2, 3]. Одним из таких решений следует назвать рост уровня энерговооруженности оборудования в высо-конагруженных забоях угольных шахт, который обусловлен использованием современных высокопроизводительных механизированных комплексов [4, 5]. В настоящее время большинство высокопроизводительных комплексов угольных шахт включает в системы управления электроприводами технологических машин и установок преобразовательные устройства [6]. К таким устройствам относятся: тиристорные регуляторы (устройства плавного пуска); преобразователи частоты (двухзвенные и с непосредственной связью);

управляемые и неуправляемые выпрямители. Следует отметить, что вопросам электромагнитной совместимости, в частности влиянию высших гармоник на работу подземных потребителей угольных шахт, уделено недостаточно внимания, хотя в общепромышленном масштабе этот вопрос хорошо проработан [7-10]. Работа преобразовательных устройств связана со значительной генерацией высших гармоник в питающую электрическую сеть, негативно влияющих на качество электрической энергии в подземных сетях угольных шахт. Помимо негативного влияния на подземные электрические сети в виде увеличения потерь в основных элементах подземной сети высшие гармоники также негативно влияют на режимы работы оборудования, что сказывается на его характеристиках и производительности [1113]. Кроме того, высшие гармоники передаются на питающие понизительные подстанции, расположенные на поверхности, поэтому анализ гармонического состава в электрических сетях понизительных подстанций угольных шахт является актуальной и требующей решения задачей.

Исследования показателей качества электрической энергии на соответствие требованиям ГОСТ 32144-2013 «Электрическая энергия. Совместимость технических

средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» [14] проведены на понизительных подстанциях шахты «Полысаевская» АО «СУЭК-Кузбасс», питающих как подземных потребителей электроэнергии, так и потребителей поверхностного комплекса, с использованием анализатора ПКЭ «Ресурс иБ2МВ-3Ш5-5». Исследования проводились на ПС-12 «Полысаевская», ПС-910 и ПС-948 в соответствии с [15]. Алгоритмы измерения показателей качества электрической энергии, установленные ГОСТ 32144-2013, определяют порядок расчета, отвечающий основному требованию непрерывности измерений. Анализатор обрабатывает аналоговый сигнал напряжения (тока) дискретно с высокой частотой: за один период основной частоты (0,02 с) с помощью аналого-цифрового преобразования производится 256 измерений. Это позволило с требуемой точностью определить действующее значение гармонической составляющей входного напряжения 40-го порядка, частота которой 2 кГц. Из полученных на каждом периоде действующих значений гармонических составляющих от 1-ой (50 Гц) до 40-ой гармоники рассчитывают среднее на i-ом интервале.

Длительность этого интервала принимается равной 8-16 периодам основной частоты, или 0,16-0,32 с и определяет длительность так называемого «окна измерения». Значение того или иного показателя качества электрической энергии определялось как среднеквадратическое значение по нескольким N измерениям.

По результатам проведенных экспериментальных исследований на подстанциях шахты «Полысаевская» АО «СУЭК-Кузбасс» были получены коэффициенты и-ых гармонических составляющих напряжения иав, представленные на рисунке 1 (ПС-12), рисунке 2 (ПС-910), рисунке 3 (ПС-948).

Анализ результатов исследований показателей качества электроэнергии на понизительных подстанциях ПС-12, ПС-910 и ПС-948 шахты «Полысаевская» позволяет сделать вывод, что качество электрической энергии соответствует предъявляемым тре-

бованиям по всем точкам измерения: по отклонению частоты, по коэффициенту искажения синусоидальности напряжения, по коэффициенту несимметрии напряжений по обратной последовательности.

Анализ показателей качества электроэнергии на подстанциях по коэффициенту и-ой гармонической составляющей напряжения показал, что практически по всему спектру гармонического состава имеются превышения допустимых значений, что является нарушением ГОСТ 32144-2013. Особенно это характерно для 5-ой и 7-ой гармоник, которые значительно превышают допустимый уровень по всем подстанциям. 5-ая гармоника на подстанции ПС-12 превышает допустимый уровень в 1,5 раза, на подстанции ПС-910 — в 1,65 раза, на подстанции ПС-948 — в 1,85 раза. Соответственно 7-ая гармоника на подстанции ПС-12 превышает допустимый уровень в 2,53 раза, на подстанции ПС-910 — в 1,5 раза, на подстанции ПС-948 — в 1,5 раза.

Анализ гармонического состава для четных гармоник на исследуемых подстанциях также показал, что наблюдается превышение допустимых значений.

Следует отметить, что ГОСТ 32144-2013 регламентирует также значения суммарных коэффициентов гармонических составляющих, которые не должны превышать 5 % для напряжения 6 кВ. Сравнительный анализ фактических и нормируемых значений по суммарному коэффициенту гармонической составляющей напряжения (таблица 1) показал, что при нормируемой величине 5 % фактическое значение коэффициента на подстанциях превышает в 9,7 раза, в 7,5 и 8,4 раза соответственно.

Анализ времени проявления данных несоответствий показывает, что наиболее часто вышеперечисленные гармоники появляются при снижении нагрузки предприятия (ремонтные смены), а также при пусках оборудования. Это говорит о том, что наибольшее искажение параметров качества электрической энергии обусловлено оборудованием, работающим с преобразовательными устройствами.

Electrical facilmes and systems

Киав(п)нд

Киав(п)в

' Киав(п)нб

' Киав(п)пд

Л

il

il

i

il

d

1

li

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40

Номер гармоники

Рисунок 1. Коэффициенты п-ых гармонических составляющих напряжения иав по ПС-12

Киав(п)нд

Киав(п)в

Киав(п)нВ

' Киав(п)пд

Ü

li

li

Iii

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40

Номер гармоники

Рисунок 2. Коэффициенты п-ых гармонических составляющих напряжения иав по ПС-910

Киав(п)нд "Киав(п)в "Киав(п)нб "Киав(г)пд

1

1

1

1

I 1 1 1

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40

Номер гармоники

Рисунок 3. Коэффициенты /7-ых гармонических составляющих напряжения иав по ПС-948

Таблица 1. Сравнительный анализ фактических и нормируемых значений по суммарному коэффициенту гармонической составляющей напряжения

Показатель Допустимые пределы по ГОСТ 32144-2103 (уровень напряжения 6 кВ), % ПС-12, % ПС-910, % ПС-948, %

Суммарное значение напряжений нечетных гармонических составляющих — 34,90 29,20 30,85

Суммарное значение напряжений четных гармонических составляющих — 13,58 8,50 10,90

Суммарное значение напряжений гармонических составляющих 5,00 48,48 37,70 41,75

Выводы

В результате исследования установлено значительное отклонение фактических значений по суммарному коэффициенту гармонической составляющей от нормируемых по ГОСТ 32144-2013 (для некоторых подстанции превышающее в 9,7 раза).

Разработанные мероприятия по снижению влияния гармонических составляющих на питающую сеть и режимы работы основного технологического оборудования позволят

Список литературы

1. Плакиткина Л.С., Плакиткин Ю.А., Дьяченко К.И. Анализ и прогнозы развития добычи и потребления угля в ведущих угледобывающих странах мира в период 20002035 гг. // Горный журнал. 2018. № 3. С. 4-9.

снизить потери в кабельных линиях, трансформаторах, а также повысить производительность основного технологического оборудования за счет приведения энергетических параметров потребителей к номинальным режимам эксплуатации. Этому способствует разработанное устройство автоматизированного мониторинга качества электрической энергии в подземных электрических сетях, что подтверждено получением патента на промышленный образец [16].

2. Копылов К.Н., Кубрин С.С., Решет-няк С.Н. Повышение уровня энергоэффективности и безопасности выемочного участка угольной шахты // Горный журнал. 2019. № 4. С. 85-89. ISSN 0017-2278.

3. Копылов К.Н., Кубрин С.С., Закорш-менный И.М., Решетняк С.Н. Резервы повы-

Electrical facilities and systems

шения эффективности работы выемочных участков угольных шахт // Уголь. 2019. № 3. С. 46-49.

4. Reshetnyak S., Bondarenko A. Analysis of Technological Performance of the Extraction Area of the Coal Mine // III International Innovative Mining Symposium, IIMS 2018 Kemerovo. DOI: 10.1051/e3sconf/20184101014.

5. Беляк В.Л., Плащанский Л.А. Увеличение напряжения участковых сетей как способ повышения эффективности использования горных машин в высоконагружен-ных забоях угольных шахт // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2009. № 5. С. 286-290.

6. Ляхомский А.В., Плащанский Л.А., Решетняк С.Н., Решетняк М.Ю. Разработка высоковольтного устройства автоматизированного мониторинга качества электрической энергии в подземных сетях угольных шахт // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2019. № 7. С. 207-213.

7. Ronnberg S., Bollen M. Power Quality Issues in the Electric Power System of the Future // Electricity Journal. 2016. No. 29 (10). C. 49-61.

8. Cheng M., Yanbin L. Research on Application of Active Power Filter in Harmonic Wave Suppression of Coal Mine // Journal of Chongqing University of Technology (Natural Science). 2014. No. 28 (11). P. 107-110.

9. Zhao H., Lu X., Wang H., Yue Y. Study on Control Strategy Based on Compound Control for Hybrid Active Power Filter Harmonic Governance // Dianli Xitong Baohu yu Kongzhi/ Power System Protection and Control. 2015. No. 43 (21). P. 60-66.

10. Litran S.P., Salmeron P. Electromagnetic Compatibility Analysis of a Control Strategy for a Hybrid Active Filter // Electric Power Systems Research. 2017. No. 144, pp. 81-88.

11. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промышленных предприятий. М.: Энергоатомиздат, 2004. 350 с.

12. Жежеленко И.В., Шидловский А.К., Пивняк Г.Г. Электромагнитная совместимость потребителей. М.: Машиностроение, 2012. 351 с.

13. Карташев И.И., Тульский В.Н., Ша-монов Р.Г., Шаров Ю.В., Воробьев А.Ю.

Управление качеством электроэнергии. М.: Издательский дом МЭИ, 2006. 320 с.

14. ГОСТ 32144-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.

15. РД 153-34.0-15.501-00. Методические указания по контролю и анализу качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Часть 1. Контроль качества электрической энергии.

16. Плащанский Л.А., Ляхомский А.В., Решетняк М.Ю., Решетняк С.Н. Высоковольтное устройство автоматизированного мониторинга качества электрической энергии в подземных сетях угольных шахт. Патент на полезную модель № 185421 бюл. № 34 от 04.12.2018.

References

1. Plakitkina L.S., Plakitkin Yu.A., D'yachenko K.I. Analiz i prognozy razvitiya dobychi i potrebleniya uglya v vedushchikh ugledobyvayushchikh stranakh mira v period 2000-2035 gg. [Analysis and Forecasts of Coal Production and Consumption in the Leading Coal-Producing Countries of the World in the Period 2000-2035]. Gornyi zhurnal — Mining Journal, 2018, No. 3, pp. 4-9. [in Russian].

2. Kopylov K.N., Kubrin S.S., Reshetnyak S.N. Povyshenie urovnya energoeffek-tivnosti i bezopasnosti vyemochnogo uchastka ugol'noi shakhty [Improving the Level of Energy Efficiency and Safety of the Excavation Site of a Coal Mine]. Gornyi zhurnal — Mining Journal, 2019, No. 4, pp. 85-89. ISSN 00172278. [in Russian].

3. Kopylov K.N., Kubrin S.S., Zakorsh-mennyi I.M., Reshetnyak S.N. Rezervy povy-sheniya effektivnosti raboty vyemochnykh uchastkov ugol'nykh shakht [Reserves of Increase of Efficiency of Work of Dredging Sites of Coal Mines]. Ugol' — Coal, 2019, No. 3, pp. 46-49. [in Russian].

4. Reshetnyak S., Bondarenko A. Analysis of Technological Performance of the Extraction Area of the Coal Mine. III International Innovative Mining Symposium, IIMS 2018 Kemerovo. D0I:10.1051/e3sconf/20184101014.

5. Belyak V.L., Plashchanskii L.A. Uve-lichenie napryazheniya uchastkovykh setei kak sposob povysheniya effektivnosti ispol'zovaniya gornykh mashin v vysokonagruzhennykh zaboyakh ugol'nykh shakht [Increasing the Voltage of District Networks as a Way to Improve the Efficiency of Mining Machines in High-Loaded Faces of Coal Mines]. Gornyi informatsionno-analiticheskii byulleten' -Mining Information and Analytical Bulletin, 2009, No. 5, pp. 286-290. [in Russian].

6. Lyakhomskii A.V., Plashchanskii L.A., Reshetnyak S.N., Reshetnyak M.Yu. Razrabotka vysokovol'tnogo ustroistva avtomatizirovannogo monitoringa kachestva elektricheskoi energii v podzemnykh setyakh ugol'nykh shakht [Development of a High-Voltage Device for Automated Monitoring of Electric Energy Quality in Underground Coal Mine Networks]. Gornyi informatsionno-analiticheskii byulleten' -Mining Information and Analytical Bulletin, 2019, No. 7, pp. 207-213. [in Russian].

7. Ronnberg S., Bollen M. Power Quality Issues in the Electric Power System of the Future. Electricity Journal, 2016, No. 29 (10), pp. 49-61.

8. Cheng M., Yanbin L. Research on Application of Active Power Filter in Harmonic Wave Suppression of Coal Mine. Journal of Chongqing University of Technology (Natural Science), 2014, No. 28 (11), pp. 107-110.

9. Zhao H., Lu X., Wang H., Yue Y. Study on Control Strategy Based on Compound Control for Hybrid Active Power Filter Harmonic Governance. Dianli Xitong Baohu yu Kongzhi — Power System Protection and Control, 2015, No. 43 (21), pp. 60-66.

10. Litran S.P., Salmeron P. Electromagnetic Compatibility Analysis of a Control Strategy for a Hybrid Active Filter. Electric Power Systems Research, 2017, No. 144, pp. 81-88.

11. Zhezhelenko I.V. Vysshie garmoniki v sistemakh elektrosnabzheniya promyshlennykh

predpriyatii [Higher Harmonics in Power Supply Systems of Industrial Enterprises]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 2004. 350 p. [in Russian].

12. Zhezhelenko I.V., Shidlovskii A.K., Pivnyak G.G. Elektromagnitnaya sovmestimost' potrebitelei [Electromagnetic Compatibility of Consumers]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 2012. 351 p. [in Russian].

13. Kartashev I.I., Tul'skii V.N., Shamo-nov R.G., Sharov Yu.V., Vorob'ev A.Yu. Uprav-lenie kachestvom elektroenergii [Electricity Quality Control]. Moscow, Izdatel'skii dom MEI, 2006. 320 p. [in Russian].

14. GOST 32144-2013. Elektricheskaya energiya. Sovmestimost' tekhnicheskikh sredstv elektromagnitnaya. Normy kachestva elektri-cheskoi energii v sistemakh elektrosnabzheniya obshchego naznacheniya [State Standard 321442013. Electrical Energy. Compatibility of Technical Means Electromagnetic. Standards of Quality of Electric Energy in Systems of Power Supply of General Purpose]. [in Russian].

15. RD 153-34.0-15.501-00. Metodicheskie ukazaniya po kontrolyu i analizu kachestva elektricheskoi energii v sistemakh elektrosnabzheniya obshchego naznacheniya. Chast' 1. Kontrol' kachestva elektricheskoi energii [RD 153-34.0-15.501-00. Methodical Instructions on Control and the Analysis of Quality of Electric Energy in Systems of Power Supply of the General Purpose. Part 1. Quality Control of Electric Energy]. [in Russian].

16. Plashchanskii L.A., Lyakhomskii A.V., Reshetnyak M.Yu., Reshetnyak S.N. Vysoko-vol'tnoe ustroistvo avtomatizirovannogo monitoringa kachestva elektricheskoi energii v podzemnykh setyakh ugol'nykh shakht [HighVoltage Device for Automated Monitoring of Electric Energy Quality in Underground Networks of Coal Mines]. Patent RF, No. 185421, 04.12.2018. [in Russian].