Эффективность компенсатора реактивной мощности дискретного типа

Выпуск 3

УДК 629.12: 621.314.6 В. М. Приходько,

канд. техн. наук, доцент, СПГУВК;

М. Л. Ивлев,

канд. техн. наук, филиал «Севмаш ВТУЗ» СПГМТУ;

И. В. Приходько,

аспирант,

СПГУВК

ЭФФЕКТИВНОСТЬ КОМПЕНСАТОРА РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ДИСКРЕТНОГО ТИПА EFFICIENCY OF THE JACK OF JET CAPACITY OF DISCRETE TYPE

Исследована эффективность применения компенсатора реактивной мощности дискретного типа в сетях электроснабжения судоремонтного предприятия.

Efficiency of application of the jack ofjet capacity of discrete type in networks of an electrical supply of the ship-repair enterprise is investigated.

Ключевые слова: компенсатор реактивной мощности дискретного типа, эффективность, судоремонтное предприятие, управление режимами электроснабжения.

Key words: the jack of jet capacity of discrete type, efficiency, the ship-repair enterprise, management of electrical supply modes.

В РЫНОЧНЫХ экономических условиях автоматизированные испытания судовых электростанций судов различного назначения в отрасли водного транспорта проводят с использованием промышленной электрической сети судостроительного или судоремонтного предприятия [1]. При строительстве, достройке, испытаниях, ремонте судов речного и морского транспорта для обеспечения энерго- и ресурсосбережения создаются на основе электрической сети судостроительно-судоремонтного предприятия электротехнические комплексы «берег-судно» или «берег-док» [2, с. 1-10]. Эти современные электротехнические комплексы «берег-судно» или «берег-док», используя промышленную электрическую сеть судостроительно-судоремонтного предприятия, реализуют системные испытания по энергосберегающей технологии [3].

Система электроснабжения современного судоремонтного предприятия представляет собой сложный комплекс устройств для передачи, преобразования, распределения электрической энергии и оперативно-диспетчерского управления ими, служащий для обеспечения производства различных (по роду тока, уровням напряжения и частоты) видов электроэнергии на всех этапах постройки и ремонта судов, кораблей, плавсредств, обеспечения вспомогательного производства и объектов инфраструктуры предприятия. Как правило, системы электроснабжения судоремонтных предприятий не имеют собственных генерирующих мощностей, чем обусловлена необходимость приобретения 100 % потребляемой электроэнергии у поставщиков на оптовом или розничном рынках электроэнергии и мощности. Последнее обстоятельство делает предприятия в значительной мере зависимыми от условий, диктуемых энергоснабжающей организацией в части финансовых и технических вопросов их взаимодействия, регулируемых рядом нормативных документов, таких как Гражданский кодекс РФ, Федеральный закон РФ «Об электроэнергетике», Правила и нормы

оптового рынка электроэнергии, нормативные документы РАО «ЕЭС России», договор купли-продажи электроэнергии и др. Действующая сегодня система взаимоотношений поставщика и потребителя электроэнергии диктует последнему необходимость наличия возможностей оперативного регулирования параметров электропотребления как по активной, так и по реактивной составляющим потребления, с одной стороны, и корректного установления плановых объемов потребления на заданные расчетные периоды времени — с другой. Необходимо отметить, что неверное установление плановых объемов потребления (следствием чего является отклонение от них фактических величин потребления) влечет применение к потребителю крупных штрафных санкций.

Кроме того, управление режимами электроснабжения судоремонтного предприятия необходимо осуществлять с целью поддержания характеристик и режимов работы отдельных элементов системы электроснабжения в рамках нормативных параметров во избежание нарушения их нормального функционирования, предупреждения и локализации аварий, повышения общего качества оперативно-диспетчерского управления энергосистемой.

Вместе с тем исследования систем электроснабжения и организации работы энергослужб судоремонтных предприятий выявили ряд серьезных проблем, а именно:

а) отсутствие обоснованных методик определения величин плановых объемов потребления электроэнергии и мощности;

б) отсутствие возможностей оперативного контроля параметров электропотребления и контроля с накоплением данных за определенный промежуток времени, что делает невозможным проверку объемов, предъявляемых энергоснабжающей организацией;

в) отсутствие возможности контроля и учета параметров электропотребления и параметров качества электроэнергии отдельных потребителей, в том числе объектов обеспечения постройки, ремонта и испытания кораблей и судов;

г) отсутствие устройств компенсации реактивной мощности, работающих в автоматическом режиме и обладающих необходимыми точностью и быстродействием;

д) как следствие, отсутствие реальных возможностей управления режимами электроснабжения на требуемом уровне.

Из сказанного выше следует, что для комплексного решения проблемы повышения качества управления режимами электроснабжения судоремонтного предприятия требуется разработка системы учета и контроля параметров электропотребления, разработка методики определения величин плановых объемов потребления мощности, разработка автоматизированных устройств для компенсации реактивной мощности, обладающих высокой точностью и быстродействием.

Проблема компенсации реактивной мощности в сетях крупных потребителей электроэнергии приобретает в последнее время все большую актуальность, при этом можно выделить два основных комплекса способствующих этому причин. Во-первых, действующие тарифы на электроэнергию для промышленных потребителей предполагают систему скидок и надбавок к базовым тарифам за потребление (генерацию) реактивной мощности, что напрямую связано с режимами работы компенсаторов реактивной мощности у потребителя. Во-вторых, сложность и развет-вленность систем электроснабжения крупных судостроительно-судоремонтных предприятий, разнообразие видов нагрузок и режимов их работы делают целесообразным применение децентрализованных систем компенсации реактивной мощности (как правило, на уровне трансформаторной подстанции или отдельной группы мощных потребителей). Наконец, проведенные исследования систем электроснабжения нескольких крупных судостроительных (судоремонтных) предприятий Северо-Западного региона показали, что большинство узлов нагрузки и центров питания либо вообще не оснащены устройствами компенсации реактивной мощности, либо имеющиеся компенсаторы по разным причинам могут работать только в режиме ручного регулирования мощности, что совершенно не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к системам компенсации реактивной мощности [4, с. 201-205; 5, с. 38-43].

Для решения вышеобозначенных проблем предлагается использовать компенсатор реактивной мощности дискретного типа (КРМ ДТ) [6, с. 241-244; 7, с. 541-545].

Выпуск 3

Упрощенная структура КРМ ДТ показана на рис. 1. Силовая часть компенсатора состоит из четырех секций конденсаторных батарей (КБ1, КБ2, КБ3, КБ4) с соотношением мощностей 1:2:4:8, при этом конденсаторы каждой секции включены треугольником. Каждая из секций конденсаторов подключается к сети посредством последовательно соединенных с ними бесконтактных коммутаторов, выполненных на основе ЮБТ-транзисторов (ТК1, ТК2, ТКЗ, ТК4). Такая организация силовой части КРМ позволяет, во-первых, значительно сократить количество коммутационнозащитной аппаратуры, во-вторых, обеспечить 15 (с нулевым уровнем — 16) ступеней регулирования реактивной мощности компенсатора, обеспечивая достаточно плавное изменение мощности при широком диапазоне регулирования.

шины питания нагрузки

—-Ю—г----------------------------------1-1-1-

ТК1 ТК2 ТКЗ ТК4

КБ1 КБ2 КБЗ КБ4

Рис. 1. Структура КРМ ДТ

3

к

Важнейшей особенностью предлагаемого компенсатора реактивной мощности по сравнению с применяемыми в настоящее время устройствами является то, что с целью исключения бросков тока в КБ при коммутациях подключение конденсаторов к сети происходит не в произвольный момент времени, а в момент равенства мгновенного напряжения сети и остаточного напряжения на конденсаторах. Диаграмма, поясняющая работу КРМ ДТ и показывающая изменение величины реактивной мощности устройства, приведена на рис. 2.

Силовая часть компенсатора состоит из четырех секций КБ, мощности которых относятся друг к другу как 1:2:4:8. Такое построение силовой схемы статического транзисторного коммутатора (СТК) позволяет сократить количество коммутационной аппаратуры при достаточно широком диапазоне регулирования мощности конденсаторной батареи (КБ) [6; 7].

Поскольку полная реактивная мощность проектируемой установки составляет 600 кВАр, мощность одной ступени регулирования определяется следующим образом:

Дб = 600/15 = 40 кВАр.

Мощности первой, второй, третьей и четвертой секций конденсаторной батареи соответственно равны:

61 = 40 кВАр;

62 = 80 кВАр;

63 = 160 КВАр;

64 = 320 кВАр.

Суммарная емкость конденсаторов одной секции конденсаторной батареи определяется из выражения [7]:

б = аСи 2.

Отсюда получаем соответственно

Рис. 2. Диаграммы, поясняющие работу компенсатора реактивной мощности

дискретного типа

Сг =

40-103

і 882 мкФ;

со-и2 271-50-380

С2 = 1764 мкФ;

С3 = 3528 мкФ;

С4 = 7056 мкФ.

Таким образом, емкости конденсаторов, подключенных в каждую фазу одной секции соответствующих ступеней, будут равны:

С = с , = с , = 294 мкФ;

ав1 вс1 са1

Выпуск 3

Фазные токи секций батарей конденсаторов определим как

/ф1 = 380 • 314- 294 -1(Г6 =35,1 А; /ф2 =70,2 А; /фз =140,4 А; / 4 =280,8 А.

Ф

Тогда линейные токи каждой из секции будут равны:

!Л1 = л/3-/ф1 = б0,8 А; IЛ2 = 121, б А;

!Л3 = 243,2 А;

!Л4 = 48б,4 А.

На основании приведенных выше расчетов целесообразно применить косинусные конденсаторы марки КЭС1-0,66-40-2У1. Емкость одного такого конденсатора равна С = 292 мкФ. Таким образом, в каждой фазе первой секции содержится по одному конденсатору, второй секции — по два параллельно соединенных конденсатора, третьей секции — по четыре и четвертой секции — по восемь конденсаторов.

Для коммутации батарей конденсаторов предлагается применять вместо тиристоров ЮВТ-транзисторы. Управление транзисторными ключами существенно отличается от управления тиристорами. Транзистор является полностью управляемым ключом, его можно открывать и закрывать в любой момент времени, поэтому система управления должна быть точно синхронизирована с сетью и выдавать команды ключу не только на включение, но и на выключение [7].

ЮВТ-транзисторы обладают достаточно малым временем переключения. Это позволяет с высокой точностью переключать транзисторы в моменты перехода тока конденсаторов через ноль, а также включать транзисторные ключи в момент времени, когда мгновенное значение напряжения питающей сети и остаточное напряжение на конденсаторе будут равны по величине. Последнее условие, как указывалось выше, позволяет избежать возникновения переходных процессов в КБ при ее подключении к сети.

Выбор силовых транзисторов производится по максимальному напряжению между коллектором и эмиттером и номинальному току через транзистор. Амплитуда напряжения между коллектором и эмиттером на закрытом ЮБТ-транзисторе может достигать значения:

Это возможно, если конденсатор был заряжен до амплитудного значения напряжения сети. Таким образом, транзистор должен выдерживать эту разность потенциалов с некоторым запасом.

В рассматриваемом компенсаторе реактивной мощности предлагается использовать силовые IGBT-транзисторные модули фирмы “MITSUBISHI”. Однако это не исключает возможности использования силовых модулей других производителей, имеющих такие же основные параметры, как приведенные ниже для IGBT-модулей фирмы “MITSUBISHI”. Каждый модуль (рис. 3) содер-

UTm = 2-Ua = 2-\¡2-U = 2-\/2-380 =1075 В.

жит два ЮБТ-транзистора (коллектор одного из транзисторов соединен с эмиттером другого) и два защитных диода, включенных между эмиттером и коллектором транзисторов, то есть в одном модуле расположены все компоненты для построения транзисторного ключа.

О Э2

ОЭ1

Рис. 3. Принципиальная схема ЮБТ-модуля

Для коммутации четвертой, самой мощной секции используется модуль СМ400Би-24Р со следующими параметрами:

— максимальное напряжение коллектор-эмиттер и = 1200 В;

— постоянный ток через коллектор-эмиттер 1кэм = 400 А;

— управляющее напряжение V = ± 20 В;

— типовое падение напряжения на открытом транзисторе и = 1,8 В;

— входная емкость модуля Свх = 160 нФ;

— эквивалентный входной заряд 2вх = 4400 нК;

— максимальное время включения ^ = 650 нс;

1 вкл

— максимальное время выключения ^ = 1300 нс;

1 выкл

— максимальный входной ток утечки 1вх = 80 мкА;

— максимальный ток через закрытый транзистор 1кэт = 2 мА.

Для коммутации третьей секции подходит модуль СМ200Би-24И, для коммутации второй секции — модуль СМ100Би-24И и для первой — модуль СМ50Би-24И. Основные параметры выбранных ЮБТ-модулей представлены в табл. 1.

Таблица 1

Параметры применяемых ЮБТ-модулей

Тип модуля и , кэм7 Б I , кэм7 А и, за7 Б Ца* Б с , вх7 нФ б , ^вх7 нК ґ , вкл7 нс ґ , выкл7 нс I , вх.у7 мкА I , кэ.т мА

СМ400Би-24Р 400 1,8 160 4400 650 1300 80 2

СМ200Би-24И 1200 200 ±20 2,4 60 1400 550 850 2 2

СМ100Ш-24И 100 2,5 16 400 450 650 0,5 1

СМ50Би-24И 50 2,3 8,2 200 450 600 0,5 1

а

Компенсатор реактивной мощности в общем случае подключается к шинам низкого (0,4 кВ) напряжения трансформаторной подстанции (ТП). Следует обеспечить возможность простого отключения его от шин ТП при возникновении необходимости (при ремонте, профилактическом об-

Выпуск 3

Выпуск 3

служивании и др.). Кроме того, необходимо обеспечить защиту от коротких замыканий в силовой части компенсатора [5; 7].

Исходя из данных требований, каждая секция компенсатора должна быть подключена к шинам ТП с помощью кабелей через автоматический выключатель.

Выбор сечения жил кабеля должен производиться по рабочему току, протекающему через кабель. В данном случае через жилы кабеля протекают линейные токи конденсаторных батарей. Длина кабеля должна быть по возможности небольшой, чтобы падение напряжения на нем было минимальным, так как реактивная мощность конденсатора пропорциональна квадрату напряжения на его обкладках.

При выборе автоматических выключателей учитывают: номинальный ток; уставку по току и по времени срабатывания; коммутационную способность; вид расцепителя (электромагнитный, тепловой, комбинированный).

Для подключения конденсаторных батарей возможно использование трехфазных автоматов переменного тока серии А3100 с электромагнитным расцепителем, время срабатывания у которых равно 4 мс.

Параметры автоматических выключателей и кабелей, используемых доя подключения секций компенсатора, приведены в табл. 2.

Таблица 2

Параметры кабелей и автоматических выключателей

Наименование присоединения I, А л7 Марка кабеля Количество и сечение жил, мм Тип автомата I , А ном.авт’

Секция 1 60,8 АВВГ 3x35 А3124 75

Секция 2 121,6 3x95 А3134 150

Секция 3 243,2 3x300 А3144 250

Секция 4 486,4 2(3x300) А3144 500

Комплексное решение проблемы управления режимами электроснабжения судостроительно-судоремонтного предприятия за счет разработки методики установления плановых параметров потребления активной мощности, с одной стороны, и разработки устройств компенсации реактивной мощности — с другой, позволяет добиться повышения технико-экономических показателей работы энергохозяйства предприятия в отрасли водного транспорта.

На основе проведенных исследований разработан комплекс мероприятий, совокупность которых направлена на совершенствование процесса управления электроснабжением судоремонтного предприятия. В результате выполненных исследований получены аналитические соотношения, позволяющие выбрать параметры статического полупроводникового компенсатора реактивной мощности с учетом характеристик питающей сети судостроительно-судоремонтного предприятия.

Разработана математическая модель компенсатора реактивной мощности дискретного типа, адекватно отражающая реальные электромагнитные процессы режима компенсации реактивной мощности в сетях электроснабжения судоремонтного предприятия.

Теоретические результаты подтверждаются математическим моделированием, выполненным на ПЭВМ в среде Ма1;ЬаЬ-81шиПпк. Достоверность теоретических положений подтверждена практическим использованием и экспериментальным исследованием опытных образцов компенсаторов реактивной мощности дискретного типа.

На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований с целью решения проблемы компенсации реактивной мощности в электрических сетях судоремонтного предприятия предлагается использовать статический полупроводниковый (транзисторный вместо тиристорного) компенсатор реактивной мощности дискретного типа.

Список литературы

1. Приходько В. М. Повышение электро-, пожаробезопасности при электроснабжении судов от береговых сетей / В. М. Приходько. — СПб.: СПГУВК, 2009. — 218 с.

2. Приходько В. М. Портативный прибор для технического диагностирования состояния контура «фаза-нулевой защитный проводник» при электроснабжении с берега ремонтируемых судов / В. М. Приходько // Морской транспорт. Сер. «Техническая эксплуатация флота». Экспресс-информация. — 1991. — № 3 (743).

3. Приходько В. М. Обеспечение электро- и пожаробезопасности при электроснабжении судов от береговых сетей / В. М. Приходько. — СПб.: СПГУВК, 2003. — 163 с.

4. Ивлев М. Л. Исследование эффективности применения компенсатора реактивной мощности дискретного типа в сетях электроснабжения промышленного предприятия / М. Л. Ивлев, А. И. Черевко, Е. В. Лимонникова // Сб. докл. VIII РНТК «ЭМС-2004». — СПб., 2004.

5. Ивлев М. Л. Применение компенсатора реактивной мощности дискретного типа для управления режимами работы цеховых подстанций судоремонтного предприятия / М. Л. Ивлев // Технологии ЭМС. — 2006. — № 4.

6. Черевко А. И. Исследование особенностей применения компенсатора реактивной мощности дискретного типа в сетях электроснабжения судоремонтного предприятия / А. И. Черевко, Е. В. Лимонникова, М. Л. Ивлев // Сб. докл. V МНТК «Динамика систем, механизмов и машин». — Омск, 2004.

7. Ивлев М. Л. К вопросу выбора параметров компенсатора реактивной мощности дискретного типа для цеховых подстанций судоремонтного предприятия / М. Л. Ивлев // Сб. докл. IX РНТК «ЭМС-2006». — СПб., 2006.

УДК 621.43.018 Д. А. Крылов,

СПГУВК;

Ю. Н. Цветков,

д-р техн. наук, профессор, СПГУВК

ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК УЛЬТРАДИСПЕРСНОГО ПОРОШКА ОЛОВЯНИСТОЙ БРОНЗЫ В МОТОРНОЕ МАСЛО НА РАБОТУ ДИЗЕЛЯ INFLUENCE OF SUPERDISPERSED TIN BRONZE POWDER IN MOTOR OIL ON THE PERFORMANCE OF DIESEL ENGINE

Рассмотрены возможные механизмы влияния ультрадисперсного порошка (УДП) оловянистой бронзы, добавленного в моторное масло, на работу дизельного двигателя. Испытаниями на дизеле Д120