Повышение надежности систем электроснабжения металлургических производств посредством введения избыточных элементов

УДК 621.3

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ ПОСРЕДСТВОМ ВВЕДЕНИЯ

ИЗБЫТОЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

В.И. Зацепина, Е.П. Зацепин, О.Я. Шачнев

Отражены меры по повышению безотказности работы системы СТАТКОМ в условиях возникновения аварийного режима сети или в случае длительного действия негативных возмущений, обусловленных влиянием резкопеременных нагрузок на систему электроснабжения.

Ключевые слова:резкопеременные нагрузки, СТАТКОМ, дуговая печь, качество электроэнергии, реактивная мощность.

Технологическое оборудование металлургических производств, основанное на электротермическом нагреве большой мощности, широко используется во многих регионах Российской Федерации. Трехфазные дуговые сталеплавильные печи относят к такому типу оборудования и часто используют для переплавки металлического лома в листовой металл с необходимыми характеристиками. Резкопеременные нагрузки, являющиеся неотъемлемой частью технологического процесса расплава холодной шихты (металлолома), негативно влияют на электрически близкое электрооборудование и на систему электроснабжения в целом.

Применение статических компенсаторов реактивной мощности (СТАТКОМ) позволяет устранить негативные последствия от действия резкопеременных нагрузок [1

- 51, однако, в случае продолжительного режима расплавки шихты ввиду её неоднородного состава (режим работы близок к режиму короткого замыкания) напряжение на концах линии может достигать очень низких значений. Тогда силовая часть статических компенсаторов, которая не рассчитана на продолжительное время работы в таком режиме, может быть повреждена, что приведёт либо к существенной потере мощности СТАТКОМа, либо выходу его из строя.

Использование избыточных преобразовательных элементов, работающих параллельно основным, и блок управления, основанный на вейвлет-анализе, позволяет обеспечить безотказность СТАТКОМа с быстрой реакцией на высокую амплитуду получаемого сигнала. В случае возникновения продолжительного режима расплава (или в случае аварийного режима) системе управления СТАТКОМа максимально быстро будет дана команда по включению резервного элемента. Имитационная модель системы электроснабжения, выполненная в программном пакете МайаЬБтиНпкс основными электрическими элементами, изображена на рис. 1.

Данная модель содержит в себе ключевые элементы: дуговая сталеплавильная печь (источник негативных возмущений), система СТАТКОМ, шина среднего напряжения, регулируемая СТАТКОМом. Элемент "Scope 4", расположенный в правой части схемы на "неспокойной" шине 35 кВ, отображает синусоиду напряжения на этой шине. Комплекс блоков, включающий в себя "UniformRandomNumber", "ControlledCurren-tSource", "Ground", "Three-PhaseSeriesRLCLoad", моделирует работу дуговой сталеплавильной печи в режиме первичной расплавки шихты (самом тяжёлом режиме, где превалируют высокоамплитудные колебания значения мощности) [2]. Система СТАТКОМ

- является множеством подсистем, реализуемая блоками "Subsystems" с включением математических систем и электрических блоков.

Рассмотрим включение одного избыточного преобразователя в систему СТАТКОМ на рис. 2.В качестве основного и резервного преобразовательного элемента используем трёхуровневую мостовую схему и расположим эти блоки параллельно. Добавляем в систему блок "Three-Phase Fault" для моделирования короткого замыкания на основном преобразовательном элементе и задаём временные параметры работы этого блока. В нашем случае время действия короткого замыкания t = 0,2 ... 0,5 с.

Ts =

НЗ

Рис. 1. Имитационная модель системы электроснабжения

Рис.2. Схема избыточного преобразовательного элемента в компенсирующем устройстве

Для индикации работы основного блока задействован блок "Scope", отображающий напряжениемостовой схемы на точках присоединения в относительных единицах (рис. 3).

На графике видно, что напряжение опускается до нулевых значений начиная со времени 0,2 сек. до 0,5 сек., как раз в то время, когда начинается короткое замыкание и блок выходит из строя. После 0,5 сек. блок снова вводится в работу для того, чтобы отследить процесс изменения напряжения на "неспокойной" шине, в рассечке которой задействован СТАТКОМ (рис. 4).

Рис. 3. Индикация работы основного преобразовательного блока

Рис. 4. Напряжение на "неспокойной " шине

Таким образом, вывод из строя преобразовательного элемента не отразился на общей работоспособности системы электроснабжения, а также на качестве электроэнергии. Следовательно, необходимость резервирования преобразовательных элементов является эффективным средством повышения безотказности систем электроснабжения.

В задачу СТАТКОМа входит поддержание напряжения Инна необходимом уровне. Следовательно, в таком случае величина ди должна стремиться к нулю [4]. С учетом этого, запишем формулу (1):

ди = Р - к ш + № - 0>) - X ш =0>

И,

где Р, Q - активная и реактивная составляющие потребляемой мощности; Qk- оперируемая величина СТАТКОМа; Яш, Хш- активное и реактивное сопротивление шины; Ин -номинальное напряжение шины.

Из формулы (1) видно, что оперировать необходимо с числителем, поэтому, конечным преобразованием является формула:

R

Qk = P • ^+Q.

Xш

Применение избыточных элементов в компенсирующем устройстве целесообразно если

R

Qk < P • ^ + Q .

Xш

Невыполнение условия (3) чревато дополнительными затратами на восстановление вышедшего из строя элемента, необходимость во временной остановке оборудования, соответственно, снижение качества электроэнергии, что в итоге повышает удельные затраты на единицу выпускаемой продукции, а так же вероятность получить брак продукта [2, 3, 6].

Безусловно, резервный элемент преобразователя необходим в целях повышения общей надёжности оборудования, однако при приведенной системе управления СТАТКОМом, основанной на вейвлет-преобразовании, можно добиться существенных результатов, а именно:

- повысить безотказность работы СТАТКОМа;

- повысить устойчивость электрической системы к возникновениям негативных возмущений;

- обеспечить необходимое качество электроэнергии, обуславливаемое работой СТАТКОМа, что является основной задачей для крупных производств, особенно для металлургических;

Работа выполнена в рамках научного проекта № 17-48-480083 при финансовой поддержке РФФИ и администрации Липецкой области.

Список источников

1. Зацепин, Е.П. К вопросу об эффективности функционирования дуговых сталеплавильных печей переменного тока. Вести вузов Черноземья, 2012. №2. С. 23-30.

2. Зацепин, Е.П., Зацепина В.И.Статистический анализ искажений напряжения в системах передачи, распределения и потребления электрической энергии. Вести вузов Черноземья, 2011. №3. С. 24-28.

3. Зацепин Е.П., Зацепина В.И. Качество электрической энергии по напряжению в системах электроснабжения металлургических предприятий. Вести вузов Черноземья, 2013. №1. С. 21-25.

4. Зацепин Е.П., Зацепина В.И., Шачнев О.Я. Анализ применения FACTS-устройств в системах с резкопеременными нагрузками. Вести высших учебных заведений Черноземья. №4. 2015 г. Липецк. С. 21-26.

5. Зацепин, Е.П., Зацепина В.И. Минимизация провалов напряжения при совместной работе группы дуговых сталеплавильных печей. Промышленная энергетика, 2009. №1. С. 22-24.

6. Володин И.М. Разработка и внедрение качество-повышающей технологии термической обработки поковок // Известия тульского государственного университета. Серия: Математика. Механика. Информатика. 2003. № 1. С. 100.

Зацепина Виолетта Иосифовна, д-р техн. наук, профессор, vizats@gmail. com, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет,

Зацепин Евгений Петрович, канд. техн. наук, доцент, ezats@mail.ru, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет,

Шачнев Олег Ярославович, аспирант, sh. ol. ya@yandex. ru, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет

IMPROVING THE RELIABILITY OF POWER SUPPLY SYSTEMSSTEEL PRODUCTION THROUGH THE INTRODUCTION OF RESERVED ELEMENTS

V.I. Zatsepina, E.P. Zatsepin, O.Y. Shachnev

The article describes measures to increase the reliability of operation of the system STATCOM in case of emergency, network, or long lasting negative disturbances due to the influence of descopera-current loads on the supply system.

Key words: variable load, STATCOM, arc furnace, power quality, reactive power.

Zatsepina Violetta Iosifovna, doctor. of technical sciences, professor, vizats@,gmail. com, Russia, Lipetsk, Lipetsk state technical University,

Zatsepin Evgeny Petrovich, candidate of technical sciences, docent, ezats@,mail.ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk state technical University,

Shachnev Oleg Yaroslavovich, postgraduate, sh. ol.ya@yandex. ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk state technical University

УДК 621.3

ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ И ИХ КВАЛИФИКАЦИЯ

А.Н. Шпиганович, А. А. Шпиганович, Е.П. Зацепин, К. А. Пушница

Рассматриваются причины возникновения перенапряжений и их параметры, приведены основные средства защиты от перенапряжений. Даются рекомендации по проведению исследований перенапряжений на основе вероятностного подхода.

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

На современном уровне развития общества происходит интенсивный процесс роста потребления электрической энергии. Она является основной энергией из применяющихся видов энергии. Особенностью является то, что нельзя создать запасов электроэнергии. Вся получаемая электроэнергия должна немедленно потребляться. В отдельных энергетических системах число аварий в течение года иногда достигает несколько десятков. Из-за аварий годовой недоотпуск электроэнергии может достигнуть нескольких миллионов киловатт. Для обеспечения подачи электроэнергии соответствующего качества и требуемого количества от энергосистем к промышленным приемникам служат системы электроснабжения предприятий. Электроприемники обладают своими специфическими особенностями. Для их обеспечения к электроснабжению предъявляются определенные требования: надежность питания, качество электроэнергии, резервирование, защита отдельных элементов системы и др. В Российской Федерации существует стандарт качества электроэнергии. Негативность определяется целым рядом факторов, к которым относятся: грозовые и коммутационные перенапряжения; провалы напряжения; резонансные явления тока и напряжения; гармонические составляющие тока и напряжения и т.д.