Определение уровня перенапряжений в сетях с компенсацией емкостных токов

Библиографический список

1. Афанасьев, К. С. Наблюдатель полного вектора состояния и момента нагрузки асинхронного электродвигателя / К. С. Афанасьев, А. С. Глазырин // Электротехнические комплексы и системы управления. — 2013. — № 4. — С. 24 — 30.

2. M. K. Metwally. Sensorless speed control of 4-switch three phase inverter fed induction motor drives at very low and zero speed. Alexandria Engineering Journal. Vol. 52, Issue 3, September 2013, P. 327-336. Doi:10.1016/j.aej.2013.05.003.

3. Vas, Peter. Sensorless vector and direct torque control / Peter Vas. — Oxford, UK. : Oxford University Press, 1998. — 768 Р. — ISBN 0198564651.

4. D. Arun Dominic, Thanga Raj Chelliah. Analysis of field-oriented controlled induction motor drives under sensor faults and an overview of sensorless schemes. ISA Transactions. Vol. 53, Issue 5, September 2014, P. 1680—1694. Doi:10.1016/j. isatra.2014.04.008.

5. D. Picovici, D. Levy, A. E. Mahdi, T. Coffey. The cascade induction machine: a reliable and controllable motor or generator. Electric Power Systems Research. Vol. 68, Issue 3, March 2004, P. 193 — 207. Doi:10.1016/j.epsr.2003.06.008.

6. Mabrouk Jouili, Kamel Jarray, Yassine Koubaa, Mohamed Boussak. Luenberger state observer for speed sensorless ISFOC induction motor drives. Electric Power Systems Research. Vol. 89, 2012, P. 139—147. Doi:10.1016/j.epsr.2012.02.014.

7. George Ellis. Chapter 18 — Using the Luenberger Observer in Motion Control. Control System Design Guide (Third Edition), 2004, P. 389 — 411. Doi:10.1016/B978-012237461-6/50019-9.

8. Zafer Aydogmus, Omur Aydogmus. A comparison of artificial neural network and extended Kalman filter based sensorless speed estimation. Measurement, Vol. 63, March 2015, P. 152-158. Doi:10.1016/j.measurement.2014.12.010.

9. Francesco Alonge, Filippo D'Ippolito, Adriano Fagiolini, Antonino Sferlazza. Extended complex Kalman filter for sensorless control of an induction motor. Control Engineering Practice, Vol. 27, May 2014, P. 1-10. Doi:10.1016/j.conengprac.2014.02.007.

10. Adel Khedher, Mohamed Faouzi Mimouni. Sensorless-adaptive DTC of double star induction motor. Energy Conversion and Management, Vol. 51, Issue 12, December 2010, P. 28782892. Doi:10.1016/j.enconman.2010.06.028.

11. S. Hadj Sand, F. M'Sahli, M.F. Mimouni, M. Farza. Adaptive high gain observer based output feedback predictive controller for induction motors. Computers & Electrical Engineering, Vol. 39, Issue 2, February 2013, P. 151-163. Doi:10.1016/j.compeleceng.2012.12.016.

ЛЫСЕНКО Олег Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры электрической техники. Адрес для переписки: deolas@mail.ru

Статья поступила в редакцию 20.06.2016 г. © О. А. Лысенко

УДК 621.311

В. А. ОЩЕПКОВ А. О. ШЕПЕЛЕВ Н. С. КАПИТОНОВ

Омский государственный технический университет

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УРОВНЯ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В СЕТЯХ С КОМПЕНСАЦИЕЙ ЕМКОСТНЫХ ТОКОВ

Техническое состояние электрических сетей значительно влияет на экономические показатели передачи электроэнергии по сетям. На экономичность передачи также влияет режим работы нейтрали. В данной статье рассматривается распределительная сеть, работающая с компенсацией емкостного тока. Определены уровни перенапряжения, возникающие на элементах электрической сети, а также емкостной ток сети и ток реактора.

Ключевые слова: моделирование переходных процессов, сеть с компенсацией емкостных токов, однофазное замыкание на землю, дугогасительный реактор.

В связи тем, что сети с изолированной нейтралью в России имеют большое распространение, вопрос о перенапряжениях, возникающих при замыканиях фазы на землю, является актуальным, несмотря на многочисленные работы, посвященные этому вопросу [1—3]. Особенно остро стоит вопрос с перенапряжениями при возникновении дуговых явлений, связанных с большими токами замыкания

на землю. Вопросы имитационного моделирования с учетом дуговых явлений и будет рассматриваться в этой статье.

Имитационное моделирование переходных процессов, возникающих в распределительных сетях электроэнергетических систем, позволяет получить достаточно достоверную картину изменения токов и напряжений на элементах сети

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА

ОМСКИИ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №5 (149) 2016

В.Т-110 C-96KTTV3 0bki

CMP-66V3-O.OMJ I ь

ВЧЭС-100

РНДЗ-2-110/630*. пр. ПРН-220м

РНДЗ-2-1 ÍO'IOOO. ЛР-1ЮС-М

пр. ПРН-220ы

ЗНБЛ-1Í0 С-М

Шины ШкВ АС-95

РНДЗ-16-! 10/630*, лр. ПРН-220М М10 1Т

РНДЗ-16-ИО 1000. ЗН-П0 1Т

пр. ПРН-220м

m—m

mofft т

ВЛ-110 С-5 Новоцарицыно

1сш-35 кВ 2сш-35 кВ

1 1ШР-35 1Т Хшр-35 1СШ Т :

\ юшащ V4" шц VSpi^cbjí i

\ 3HB,35S«u\ . т зн В-35пзц \

Шт '-¡^Hii н —г-^ш—i|i '-г--—

£ £Е£ 6EÍ ÍEÍ

B-3Í 86Ц QB-35 1T QB-35 ШЦ |^СВ-35

i—ЕЭ

ГД

' Я\ ЗНВ-35

» -О87Ц I. Й

6ЭЕ «»пни

——(11

ШР-35 2 пи ЛН-35 .

-ГЩ I

ЭЙ IH-35

ш Ш

ЗОН-1 Юм. пр. ПРН-11

РВС-35-И5

ДК-35 3POM-5SO.'3S

TH-3Í-2сш

Силовой тр-р 1Т

ТДТН-10000/110-70 Зав. № 5143 Вып. 1973г. ТТЗ

Силовой rp-p 2Т ТДТН-10000/110-70 Зав. № 7477 Вып. 1976г. ТТЗ

Рис. 1. Однолинейная схема подстанции «Шербакульская»

Рис. 2. Имитационная модель подстанции «Шербакульская» 35 кВ с отходящими линиями и установленным дугогасительным реактором

при различных начальных условиях. В распределительных сетях, работающих с изолированной нейтралью при однофазном замыкании на землю, возникают недопустимые уровни перенапряжения с точки зрения эксплуатации сетей. В течение переходного процесса, возникающего при замыкании фазы на землю, который обычно длится больше 1 секунды, на высоковольтных обмотках трансформатора напряжения возникают биения напряжения. Такие биения возникают и на секциях шин, питающей подстанции, а также на высоковольтных обмотках трансформатора собственных нужд подстанции. Данные процессы могут привести к ложному срабатыванию релейной защиты, отключению цепей управления на самой подстанции, а также к выходу из строя трансформаторов напряжения [4]. Для устойчивого горения дуги необходимы достаточно большие уровни емкостного тока электрической сети. При превышении значений, указанных в правилах устройства электроустановок [5], необходима компенсация емкостных токов. Компенсация осуществляется с помощью применения дугогасящих реакторов. При однофазном замыкании на землю в сети с компенсацией емкостного тока реактор начинает выдавать в сеть ток, который

отстает от напряжения на угол примерно равный 90 градусов. Исследование проводилось на подстанции «Шербакульская» 110/35/10 кВ (МРСК Сиби-ри-Омскэнерго), однолинейная схема подстанции которой представлена на рис. 1. В данном исследовании интерес представляли процессы, происходящие в сети напряжением 35 кВ.

В исследуемую схему были введены воздушные линии электропередач «Урожай», «Александровка». Далее были определены параметры схемы замещения. В схему замещения вошли: источник питания (питающий трансформатор ТДТН-10000/110), трансформатор напряжения (ЗНОМ-35), эквивалентная емкость присоединений, а также эквивалентная нагрузка. Эквивалентная емкость присоединений определялась с помощью метода зеркальных отображений, представленного в [6], а также на основе данных, используемых в [3]. Эквивалентная нагрузка представлена только отходящими линиями, указанными выше.

Имитационное моделирование переходного процесса при замыкании фазы на землю было осуществлено в программном продукте МаНаЬ ЗшБсаре SimPowerSystem. При моделировании в среде МаИаЪ был введен ряд допущений:

Рис. 5. Напряжения на емкости присоединений

Рис. 6. Графики токов:

а) пунктирная линия — емкостной ток сети 35 кВ;

б) сплошная линия — индуктивный ток реактора

— не учитывались междуфазные емкости и индуктивности;

— поскольку линии сетей имеют распределенные постоянные, переходные процессы в них при замыканиях на землю имеют волновой характер. Однако вполне приемлемые результаты, подтверждаемые осциллографическими измерениями в действующих сетях, получаются при рассмотрении переходного процесса в упрощенной схеме замыкания на землю [7]. Поэтому распределенностью параметрами линий можно пренебречь.

— не учитываются емкость силовых трансформаторов, шин и межвитковая емкость ТН ввиду их малости;

— обмотка трансформатора напряжения является линейной цепью;

— в диапазоне частот от 50 Гц до 125 кГц индуктивность обмотки измерительного трансформатора напряжения остается практически постоянной.

В соответствии с выше указанными допущениями в среде SimPowerSystem была построена имитационная модель электрической сети при однофазном замыкании на землю. Соответствующая модель представлена на рис. 2. Однофазное замыкание на землю осуществляется с помощью блока Three-Phase Fault.

Подробные характеристики данного имитационного блока представлены в [8]. Картина изменения напряжения на эквивалентной нагрузке при однофазном замыкании представлена на рис. 3. Напряжения на трансформаторе напряжения представлены на рис. 4. Напряжения на эквивалентной емкости присоединений при ОЗЗ представлены на рис. 5.

Наблюдаемые биения напряжений могут привести к ложному срабатыванию защит на подстанции, а также могут привести к вынужденному отключению цепей управления. Присутствующие перенапряжения при частом и длительном воздействии могут привести к выходу из строя трансформаторов напряжения, а также сократить их срок службы до 5 лет [4].

Емкостной ток электрической сети и ток реактора представлены на рис. 6.

Как видно из рис. 6, индуктивный ток реактора полностью компенсирует емкостной ток электрической сети. В соответствии с [9] реактор должен настраиваться на фазную емкость с рассогласованием до 0,2. Поэтому индуктивный ток несколько превосходит емкостной ток сети.

Заключение. Имитационное моделирование режимов работы электрических сетей позволяет достаточно наглядно представить переходные процессы, происходящие при однофазном замыкании на землю.

В распределительных сетях дефекты изоляции не приводят к ухудшению условий электроснабжения потребителей, но существующий дефект требует устранения, так как оборудование находится под повышенным напряжением, особенно при дуговых замыканиях.

При дуговых замыканиях перенапряжения достаточно значительны и длительны и представляют опасность для ослабленной изоляции электрооборудования.

Библиографический список

1. Определение эффективности компенсации емкостных токов однофазного замыкания на землю дугогасительным реакторами различных конструкций на экспериментальном стенде / Д. А. Матвеев и [др.] // Электротехника. — 2015. — № 8. - С. 59-64.

2. Владимиров, Л. В. Моделирование режима однофазного замыкания на землю в распределительной электрической сети с изолированной нейтралью / Л. В. Владимиров, А. А. Вырва, В. А. Ощепков, А. П. Попов, В. И. Суриков // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. — 2012. — № 1 (107). — С. 197—201.

3. Сафонов, Д. Г. Определение напряжения нулевой последовательности с учетом естественной несимметрии параметров воздушной линии электропередачи / Д. Г. Сафонов,

B. А. Ощепков, С. С. Гиршин // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. — 2016. — № 1 (145). —

C. 58 — 60.

4. Нагорный, П. Д. Измерительные трансформаторы напряжения и контроль изоляции в сетях 6 — 35 кВ / П. Д. Нагорный // Промышленная энергетика. — 2002. — № 3 — С. 23 — 25.

5. Правила устройства электроустановок : нормативно-техн. материал. — 6-е изд с изм., испр. и доп. — СПб. : ДЕАН, 1999. — 926 с. — ISBN 5-88977-070-5.

6. Теоретические основы электротехники : учеб. для вузов. В 3 т. / К. С. Демирчан и [др.]. — 4-е изд., доп. — СПб. : Питер, 2006. — Т. 3. — 377 с. — ISBN 5947235226, 5947236206.

7. Лихачев, Ф. А. Замыкание на землю в сетях с изолированной и с компенсацией емкостных токов / Ф. А. Лихачев. — М. : Энергия, 1971. — 152 с.

8. Черных, И. В. Моделирование электротехнических устройств в Matlab SimPowerSystem и Simulink / И. В. Черных. — М. : ДМК Пресс, 2007. — 288 с. — ISBN 5-94074-395-1.

9. Сирота, И. М. Режимы нейтрали электрических сетей : моногр. / И. М. Сирота, С. Н. Кисленко, А. М. Михайлов. — Киев : Наукова Думка, 1985. — 264 с.

ОЩЕПКОВ Владимир Александрович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры электроснабжения промышленных предприятий. Адрес для переписки: energoowa@mail.ru ШЕПЕЛЕВ Александр Олегович, ассистент кафедры электроснабжения промышленных предприятий.

КАПИТОНОВ Никита Сергеевич, студент гр. Э-121 энергетического института.

Адрес для переписки: alexshepelev93@gmail.com

Статья поступила в редакцию 20.06.2016 г. © В. А. Ощепков, А.О. Шепелев, Н. С. Капитонов

УДК 621.316.722.076.12

М. С. БАЛАБАНОВ Р. Н. ХАМИТОВ

Омский государственный технический университет

МЕТОДОЛОГИЯ ВЫБОРА РАСТ5-УСТРОЙСТВ НА ПРИМЕРЕ ФЕРРОСПЛАВНОГО ПРОИЗВОДСТВА

С целью оптимизации выбора FACTS-устройств для промышленных и сетевых объектов разработано программное обеспечение для ЭВМ. В статье презентуются результаты апробации разработанной методологии по определению оптимального типа FACTS-устройства для сетевых и промышленных объектов. Имитационное моделирование внедрения различных FACTS-устройств на ферросплавном предприятии было выполнено в специализированном ПО DigSILENT (Германия). Доказано, что фильтро-компенсирующее устройство является оптимальным типом FACTS-устройства для работы в составе системы электроснабжения ферросплавных печей.

Ключевые слова: FACTS-устройства, ферросплавные печи, фильтро-компен-сирующее устройство, синхронный компенсатор, батареи статических конденсаторов, статический тиристорный компенсатор, активный фильтр.

В настоящее время в мире активно реализуются проекты Smart Grid («Умные Сети»). Базовым кластером данной архитектуры являются FACTS-устройства обеспечивающие уровень их интеллектуализации [1]. Задача по выполнению анализа существующих FACTS-устройств с разработкой методики выбора оптимального типа FACTS-устройства для конкретного узла сети является актуальной в ходе решения практических задач [2].

Для апробации методологии выбора типа FACTS-устройства выбрано ферросплавное производство. В мире наблюдается жесткая конкуренция между ферросплавной отраслью различных стран. Сдача лидирующих позиций производителями происходит, как правило, по основному технико-экономическому показателю — расходу электроэнергии на тонну готовой продукции (кВтч/т) [3, 4]. В этой связи повысить конкурентоспособность отечественных металлургов может исключительно комплексная модернизация с внедрением современного энергосберегающего оборудования — FACTS-устройств [5]. Если ранее энергоснабжаю-щие организации акцентировали внимание потребителей на необходимости компенсации реактивной мощности, то сейчас дополнительно требуется устранять высшие гармонические составляющие, а далее отслеживать и весь спектр искажений в сети со стороны потребителей [6]. Были исследованы технические характеристики современ-

ных FACTS-устройств по способности приведения показателей качества электроэнергии к ГОСТ 32144-2013; оценены основные эксплуатационные показатели линейки оборудования; изучены характеристики программных комплексов, в которых наиболее удачно реализованы возможности для расчета FACTS-устройств: RastrWin, EasyPower, DIgSILENT Power Factory, АРМ СРЗА, ANSYS Maxwell и другие [2].

В табл. 1 детально рассмотрен функционал ПО DIgSILENT Power Factory с целью имитационного моделирования FACTS-устройств на примере схемы ОСП «ЮФЗ» (ОАО «Кузнецкие ферросплавы», Обособленное структурное подразделение «Юргин-ский ферросплавный завод», г. Юрга, Кемеровская область, Россия) [2].

Основная нагрузка предприятия «ЮФЗ» — это четыре ферросплавные печи (ФСП).

В рамках программы по построению системы автоматического управления напряжением и реактивной мощностью энергорайона энергоснабжающей организацией было выдвинуто требование к предприятию об обязательном внедрении на «ЮФЗ» FACTS-устройств, обеспечивающих:

— tg ф < 0,29 (cos9 = 0,96) по напряжению 110 кВ;

— уменьшение гармонических искажений тока и напряжения в соответствии с требованиями ГОСТ 32144-2013.