Провалы напряжения в системах электроснабжения

УДК 621.3

ПРОВАЛЫ НАПРЯЖЕНИЯ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

А.Н. Шпиганович, А. А. Шпиганович, И.И. Богомолов

Анализируются причины провалов напряжения, приводятся их параметры. Дается классификация средств защиты от провалов напряжения и возможные пути их исследования.

Ключевые слова: система, электрооборудование, провалы напряжения, компенсация, обслуживание, емкостные токи, функционирование, промышленное предприятие.

Одним из основных негативных факторов систем электроснабжения служат провалы напряжения. Их появление обусловлено объективными и субъективными причинами, а именно ударами молний, загрязнением изоляции, механическими повреждениями, касанием токоведущих частей посторонними предметами, ошибочными действиями оперативного и ремонтного персонала и т.д. Они могут возникнуть из-за запуска мощных приемников на предприятии или на соседнем производстве в той же распределительной сети, работы устройства повторного включения, изменения нагрузки переключением. Призваны на сегодняшний день две основные причины провалов напряжения. Это подключение значительных нагрузок потребителем или неисправности на смежных электрически связанных участках системы электроснабжения. Схематически причины провалов напряжения представлены на рис. 1. Согласно ГОСТу провал напряжения - внезапное понижение напряжения в точке электрической системы ниже 0,9 номинального напряжения, за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня через промежуток времени от десяти миллисекунд до нескольких десятков секунд. Физически это означает, что требуемая энергия не поступает к приемнику. Параметрами провала являются его длительность, величина остаточного напряжения, выражаемая в процентах от номинального значения, и частота появления провалов напряжения [1]. Наблюдаются также групповые провалы от повторного включения нагрузки. В результате их появления осуществляется накопительный эффект [2]. Он более опасен чем отдельные провалы. Провалы длительностью менее 3 секунд имеют место в электрических сетях, где устройства автоматического включения резерва на трансформаторной подстанции выполнены на стороне 0,4 кВ со временем срабатывания 0,2 секунды.

Для конкретной системы электроснабжения, что бы разработать защиту от провалов напряжения и предотвратить их последствие следует располагать прогнозом провалов.

Рис. 1. Причины возникновения провалов напряжения

7

Регистрация глубины и длительности провалов напряжения выполняется путем использования измерительной аппаратуры. Достоверность прогноза тем выше, чем шире масштаб охваченной измерениями системы. Необходимо учитывать реальную структуру и конфигурацию системы электроснабжения вплоть до подключенных шин 0,4 кВ, а также режимы работы электрооборудования. Результаты измерений должны отражать значения напряжения, тока, мощности в интересующих узлах, но и отклонения этих параметров от номинальных значений [3].

Анализ результатов литературных источников и выполненных измерений свидетельствует, что в кабельных и воздушных распределительных сетях преобладают провалы напряжения глубиной (35-99)% продолжительностью (1,5-3,0) секунд. Каждое производство, которое получает электроэнергию от распределительной кабельно-воздушной сети, испытывает до 30 провалов в год, а от кабельной сети - до 10 провалов. Согласно статистике около 70% повреждений воздушных сетей 110 кВ приходится на однофазные короткие замыкания, 20% - на двухфазные или двухфазные на землю, 10% - на трехфазные короткие замыкания. В кабельных сетях 6-10 кВ преобладают однофазные короткие замыкания на землю. При оперативном отключении поврежденного электрооборудования они не переходят в многофазные короткие замыкания и не вызывают провалов. Соотношение параметров для кабельных линий представлено в таблице, а на рис.2 отображены их параметры.

Рис. 2. Параметры провалов напряжения: ином - номинальное напряжение, В;

ит1п - минимальное из всех измеренных среднеквадратичных значений напряжения, В; 1 ,1 н - начальный и конечный моменты времени провала, с; т( 5ипА1 п )- число провалов напряжения глубиной 5ип-и длительностью Д1 п за период времени Т; М — общее число наблюдений

Продолжительность провалов напряжения при близких однофазных коротких замыканиях определяется временем действия первой ступени защиты. Обычно это составляет 0,25...0,35 с. С удалением места повреждения от источника питания остаточное напряжение прямой последовательности увеличивается, а обратной - уменьшается. При этом уменьшается число провалов линейных и фазных напряжений, но увеличивается длительность провала, так как увеличивается время действия защиты [4].

Характеристики провалов напряжения для кабельных линий

Глубина провалам/о Доля интервалов, %, при длительности провала, с Всего, %

0,01-0,1 0,1-0,5 0,5-1,0 1,0-3,0 3-20 20-60

10-30 33 20 4 0,5 0,5 - 58

30-60 4 15 2 - - - 21

60-95 3 9 0,5 1,5 - - 14

100 0,5 0,5 1 - - 5 7

Итого 40,5 44,5 7,5 2,0 0,5 5 100

Каждый провал напряжения приводит к кратковременному сбою в работе технологического оборудования. Разные нагрузки промышленности реагируют по-своему на это явление. Особенно ощутимое влияние провалы напряжения оказывают на так называемые «непрерывные технологические процессы» в металлургической, химической, нефтепереработке и других подобных отраслях. Возникающий при этом ущерб в лучшем случае выражается в браке части продукции, а в худшем - требует полной остановки технологического процесса. В отдельных случаях необходимо учитывать и стоимость недовыпущенной продукции. Если из-за внезапных провалов наносится экологический ущерб, то должны быть учтены затраты на ликвидацию всех возможных последствий. Оценить степень влияния провалов напряжения на потребителей можно зная глубину и длительность, а также степень чувствительности его приемников. При большом числе и мощности электрических двигателей на предприятии их одновременное включение после провала напряжения может оказаться недопустимым. Вызвано это тем, что в момент самозапуска возникает новый провал напряжения. Переходный процесс сильно затягивается, а часть электродвигателей может отключиться из-за перегрузки по току. Необходимо в таких случаях использовать специальные схемы, предусматривающие повторное включение электродвигателей последовательными очередями [5]. В процессе построения характеристик провалов напряжения зачастую возникает задача выбора точек вероятных коротких замыканий и контрольных точек, для которых следует рассчитать величины посадок напряжения, изменения активной, реактивной мощностей. Это необходимо, исходя из требований минимума средств измерений, для получения наиболее достоверной картины распределения провалов напряжения. Наиболее энергоемким оборудованием промышленных предприятий являются технологические установки, оснащенные асинхронными или синхронными электродвигателями. Пуск таких приемников прямым включением в сеть сопровождается большими ударными токами и знакопеременными электромагнитными моментами. Броски тока также вызывают (до 30%) значительные провалы напряжения в основном на шинах распределительных устройств, что негативно сказывается на работе соседних приемников. Безопасным считается уровень провала не превышающий 10%. Поэтому чтобы предел провала не превышал 10%, требуется выбирать мощность трансформаторов подстанций, в данном случае, на ступень выше или ограничивать пусковые токи с помощью устройств плавного пуска, а также использовать преобразователи частоты. Чтобы сократить число провалов напряжения следует применять современные микропроцессорные устройства релейных защит и средств автоматики, осуществлять секционирование шин подстанций и распределительных пунктов, снижать сопротивление заземления, Использовать грозозащитные устройства, проводить профилактические мероприятия по чистке изоляции и замене дефектных изоляторов.

Улучшение качественных характеристик сети с целью устранения провалов напряжения не всегда осуществимо. В большинстве случаев требуется специальное оборудование, выбор которого не велик в зависимости от вида нагрузки. Самым экономичным способом противостоять провалам является выбор оборудования, устойчивого к провалам в силу своей конструкции. Важную роль играет взаимодействие и согласованная работа средств технологической автоматики с автоматикой системы электроснабжения. Наиболее правильным является комплексный подход к решению проблемы не нарушения технологических процессов при кратковременных провалах напряжения в системах электроснабжения производства, отвечающий анализу работы технологических машин, технологической автоматике, высоковольтных и низковольтных приемников всех механизмов в тесной увязке с работой средств релейной защиты и автоматики в системах электроснабжения.

В настоящее время используются быстродействующие вакуумные выключатели типа ВВЭМ, ВБЧЭ с электродинамическим устройством управления. Время срабатывания их может достигать нескольких секунд, что приводит к величине напряжения на пусковых органах (0,75.. .0,80)% от номинального. В результате не защищается чувствительное к таким помехам электрооборудование.

Универсальным средством защиты, как от провалов напряжения, так и его превышения служат источники бесперебойного питания. Они способны сохранять электроснабжение отдельных электроприемников или локальных сетей. Если для этой цели используются аккумуляторные батареи, то с их использованием можно поддерживать необходимый уровень напряжения в течение 5.20 мин. Этого времени более чем достаточно для ввода резервного питания [6]. К устройствам, защищающим электрооборудование от провалов напряжения можно отнести: маховик, статический источник бесперебойного питания, статический компенсатор, динамический компенсатор искажений напряжения, параллельно работающий синхронный двигатель, активный фильтр, бестрансформаторный усилитель и д. р. [7,8].

Схематически виды средств защиты от провалов напряжения приведен на рис. 3.

Двигатель-генератор вместе с моховиком защищает технологические процессы практически от всех провалов напряжений. Когда наступает падение напряжения, то подключение маховика, соединенного с двигателем-генератором замедлит снижение напряжения на нагрузке. Во время провала напряжения динамический компенсатор искажений напряжения остается подсоединенным к электрической сети. Он добавляет отсутствующую часть напряжения через трансформатор, включенный последовательно с нагрузкой. Статический компенсатор снижает провалы напряжения за счет добавления реактивной мощности в сеть. Способность снижать провалы напряжения может быть усилена использованием дополнительного источника энергии, например, как сверхпроводящий магнитный источник энергии. Параллельно подсоединенный синхронный двигатель с нагрузкой аналогичен по своему действию статическому компенсатору, но он не содержит силовой электроники. Способность синхронного двигателя обеспечивать большую реактивную нагрузку позволяет ограничивать провалы глубиной до 60% на протяжении 6 секунд [9].

Средства защиты от

провалов напряжения

— Маховик Современные микропроцессорные устройства релейных защит —

— Статистический компенсатор Секционирование шин 110 кВ —

Применение грозозащитных устройств линий 110 кВ Статистический источник бесперебойного питания

Активный фильтр Динамический компенсатор искажений напряжения

Комплексы устройств быстродействующего АВР Параллельно работающий синхронный двигатель

Активный регулятор напряжения Бестрансформаторный усилитель «-1

Рис. 3. Средства защиты от провалов напряжения

Для защиты электрооборудования постоянного тока от провалов напряжения используют преобразователи, повышающие напряжение шин постоянного тока до номинального уровня. Величина провала, которая может быть компенсирована преобразователем, зависит от его номинального тока. Повышающий преобразователь начинает работать сразу, как провал напряжения будет зафиксирован на шинах. Со способностью обеспечить компенсацию симметричного провала напряжения до 50%, повышающий преобразователь имеет возможность компенсировать глубокие несимметричные

10

провалы, такие как отказ одной из фаз системы. Для защиты от полного отключения электроэнергии преобразователь снабжается батареями [10-12]. Активный фильтр должен постоянно поддерживать напряжение в течение всего периода его провала. Максимальное значение компенсации провала напряжения определяется током фильтра [13]. Динамический компенсатор должен: осуществлять непрерывное регулирование трехфазного понижения напряжения и его провалов вплоть до 90% от номинального; восстанавливать провалы не менее чем за 30 секунд; ослаблять дозы фликера в напряжении; симметрировать трехфазные падения напряжения до 50% и однофазные провалы до 30%; компенсировать линейные падения напряжения.

На основании выполненного анализа литературных источников следует проводить исследования по влиянию провалов напряжения на безотказность систем электроснабжения, вызванных внешними и внутренними возмущающими факторами, с учетом того, что они носят случайный характер. Поэтому одним из этапов в работе является исследование провалов напряжения на основе вероятностных подходов.

Список литературы

1. Маслеников Г.К. Обеспечение качества электроэнергии в системахэлектро-снабжения общего назначения // Энергосбережение, 2002. № 1. С. 15-21.

2. Фишман В. С. Провалы напряжения в сетях промышленных предприятий // Новости электротехники, 2004. №5 (29).

3. Гамазин С.И., Марков Ю.В., Пупин В.М. Современные способы повышения надежности электроснабжения потребителей напряжением 0,4, 6 10 кВ // Промышленная энергетика, 2008. № 8. С. 15-19.

4. Шпиганович А.Н., Черных И.А., Шилов И.Г. Провалы напряжения в высоковольтных электрических сетях // Вести высших учебных заведений Черноземья, 2006. № 1. С. 16-19.

5. Фишман В.С. Провалы напряжения в сетях промышленных предприятий. Минимизация последствий // Новости электротехники, 2004. №6 (30).

6. Шпиганович А.Н., Ладанов А. С. Анализ влияния колебаний напряжения на режимы работы электродвигателей. Липецк: ЛГТУ, 2004. 180 с.

7. Кудрин Б.И. Электроснабжение промышленных предприятий. М.: Интернет инжиниринг, 2005. 672 с.

8. Берх И.М., Мазуров М.И., Николаев А.В. Система векторного регулирования статического компенсатора СТАТКОМ // Изв. НИИПТ, 2003. №59.

9. Пупин В.М. Устройства защиты от провалов напряжения // Приложение к журналу Энергетик, 2011. №5(149).

10. Ивкин О.Н., Киреева Э.А., Пупин В.М. Применение динамических компенсаторов искажений напряжения с целью обеспечения надежности электроснабжения потребителей // Главный энергетик, 2006. № 1. С. 25-27.

11. Шпиганович А.Н., Пестунов В. А. Повышение эффективности функционирования систем электроснабжения. Липецк: ЛГТУ, 2004. 281.с.

12. Куро Ж. Современные технологии повышения качества электроэнергии при ее передаче и распределении // Новости электротехники. 2005. №1. С. 25-27.

13. Бородин Б.Н., Пупин В.М., Егорова М.С. Системный подход к повышению надежности электроснабжения потребителей Оскольского электрометаллургического комбината // Промышленная энергетика, 2008. № 11. С. 32-36.

Шпиганович Александр Николаевич, д-р техн. наук, профессор, камер ами. lipetsk.ги, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет,

Шпиганович Алла Александровна, д-р техн. наук, профессор, kaf-eo@stu. lipetsk.ru, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет,

Богомолов Илья Игоревич, студент, kaf-eo@stu.lipetsk.ru, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет

VOLTAGE SAGS IN POWER SYSTEMS A.N. Shpiganovich, A.A. Shpiganovitch, I.I. Bogomolov

In the article the causes of voltage failures are analyzed, their parameters are given. Classification of means of protection against voltage dips and possible ways of their investigation are given.

Key words: system, electrical equipment, voltage dips, compensation, maintenance, capacitive currents, operation, industrial enterprise.

Shpiganovich Aleksandr Nikolaevich, doctor of technical science, professor, head of chair, kaf-eo@stu. lipetsk. ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University,

Shpiganovich Alla Aleksandrovna, doctor of technical science, professor, kaf-eo@stu. lipetsk. ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University,

Bogomolov Ilya Igorevich, student, kaf-eo@stu. lipetsk. ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University

УДК 621.31.83

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО БЕЗРЕДУКТОРНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА СКРЕБКОВОГО КОНВЕЙЕРА

Г.И. Бабокин, В. А. Готовцева

Рассмотрены преимущества применения безредукторного электропривода скребкового конвейера с синхронным двигателем с постоянными магнитами, разработана четырехмассовая математическая модель электропривода для исследования динамических процессов. Математическая модель электропривода отличается учетом изменения жесткости рабочего участка тяговой цепи и массы перемещаемого груза в зависимости от положения очистного комбайна, что позволяет с большей точностью рассчитывать переходные процессы в рабочих и аварийных режимах электропривода.

Ключевые слова: математическая модель, скребковый конвейер, безредуктор-ный электропривод, тяговая цепь, синхронный двигатель с постоянными магнитами, инвертор, система управления.

При подземной добыче полезных ископаемых (угля, сланца калийной соли) в горнодобывающей промышленности широко применяются механизированные комплексы, в состав которых входят очистной комбайн и скребковый конвейер, определяющие в значительной мере эффективность функционирования предприятий [1, 2]. Очистной комбайн формирует грузопоток полезного ископаемого, а скребковый конвейер обеспечивает транспортирование полезного ископаемого на ленточный конвейер штрека [1, 2].