Анализ показателей качества электрической энергии в системе электроснабжения Лебединского горно-обогатительного комбината в Белгородской области Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Виноградов А. А., канд. техн. наук, проф., Зябкина О. Н., магистрант, Михайлова М. Ю., ст. преп., аспирант Белгородский государственный технологический университет им. В.Г.Шухова

АНАЛИЗ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯЛЕБЕДИНСКОГО ГОРНО-ОБОГАТИТЕЛЬНОГО КОМБИНАТА В БЕЛГОРОДСКОЙ ОБЛАСТИ

vinogradov@intbel.ru

Доля электроприемников с нелинейной нагрузкой постепенно возрастает, что приводит к появлению токи несинусоидальной формы в линиях электропередачи. По этой причине проблема качества электрической энергии в электрической системе актуальна на сегодняшний день.

Ключевые слова: показатели качества электрической энергии, Лебединский горнообогатительный комбинат, нелинейная нагрузка, «Энергомонитор-3.3 Т1», суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения, коэффициенты несимметрии напряжений по обратной и нулевой последовательности, коэффициент п-й гармонической составляющей напряжения, отрицательное и положительное отклонение напряжения.

На сегодняшний день в системах электроснабжения России становиться все более актуальной проблема обеспечения качества электрической энергии. Это связано с быстро растущим числом нелинейных электроприемников, создающих в сетях при своей работе токи несинусоидальной формы [1]. Доля и мощность таких электроприемников постоянно возрастает как в промышленном производстве, так и в коммунально-бытовом секторе.

При этом в узлах нагрузки с индуктивными или емкостными сопротивлениями, при протекании несинусоидальных токов будут изменяться комплексные сопротивления, реактивные составляющие которых зависят от частоты как основной и высших гармонических составляющих (конденсаторные установки, трансформаторы и реакторы со своими индуктивностями рассеяния и пр. [2,3]). Вследствие этого потребители электрической энергии обладают одновременно нелинейными и частотными свойствами. Изучение комплексной электрической нагрузки представляет практический интерес, прежде всего для целей расчета и прогнозирования показателей качества напряжения, определения вклада отдельных потребителей в ухудшение электрической энергии.

В работе приведен анализ качества электроэнергии на Лебединском горнообогатительном комбинате (ЛГОК) в Белгородской области, являющимся крупнейшим по добыче железной руды в России. Горнодобывающие предприятия относятся к 1 -ой категории по условиям обеспечения надежности электроснабжения. Основными поставщиками электроэнергии для ЛебединскогоГОКа являются Курская и Нововоронежская АЭС, которые в первую очередь и строились для электроснабжения предприятий Курской магнитной анама-

лии (КМА): Михайловский ГОК, Лебединский ГОК, Стойленский ГОК, Оскольский электрометаллургический комбинат и др.

На всех объектах ЛГОКа присутствует большое количество электроприемников с нелинейной нагрузкой: электродуговые печи, электровозы, полупроводниковые преобразователи для регулирования частоты вращения асинхронных двигателей, импульсные источники питания, пускорегулирующая аппаратура для газоразрядных ламп освещения и множество других устройств, оказывающих влияние на показатели качества электрической энергии (ПКЭ) в системе электроснабжения комбината.

Анализ показателей качества электрической энергии (ПКЭ) проводился на подстанциях комбината в течение 24 часов с интервалом времени 3 секунды в соответствие с требованиями ГОСТ Р 54149-2010 [5]. Замеры выполнялись прибором «Энергомонитор - 3.3Т1». Получены следующие результаты.

Номинальное напряжения на трансформаторных подстанциях ЛГОК: ГПП1, ГПП 3, ГПП 5, ГПП 8 - 6 кВ; ПС 123, ПС 137 - 10 кВ; ПС Лебеди, ПС Тяговая - 110 кВ.

Работа электроприёмников комбината оказывает значительное влияние на следующие ПКЭ:

- коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения, ^и ;

- коэффициент п-й гармонической составляющей напряжения,Ки(П);

- отрицательное и положительное отклонение напряжения, Ш(_), Ш(+);

- коэффициентынесимметрии напряжений по обратной и нулевой последовательности, К2и, Кои.

Гармонические составляющие напряжения обусловлены нелинейными нагрузками пользо-

вателей электрических сетей, различного напряжения. Гармонические токи, протекающие в электрических сетях, создают гармонические падения напряжений в полных сопротивлениях электрических сетей. Показателями КЭ, относящимися к гармоническим составляющим напряжения являются:

- коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения, КИ;

- коэффициент п-й гармонической составляющей напряжения, КИ(П);

Высшие гармоники вызывают:

• паразитные поля и электромагнитные моменты в синхронных и асинхронных двигателях, которые ухудшают механические характеристики и КПД машины. В результате необратимых физико-химических процессов, протекающих под воздействием полей высших гармоник, а также повышенного нагрева токоведущих частей наблюдается:

• ускоренное старение изоляции электрических машин, трансформаторов, кабелей;

• ухудшение коэффициента мощности ЭП;

• ухудшение или нарушение работы устройств автоматики, телемеханики, компьютерной техники и других устройств с элементами электроники;

• погрешности измерений индукционных счетчиков электроэнергии, которые приводят к неполному учету потребляемой электроэнергии;

• нарушение работы самих вентильных преобразователей при высоком уровне высших гармонических составляющих.

Наличие высших гармоник неблагоприятно сказывается на работе не только электрооборудования потребителей, но и электронных устройствах в энергосистемах.

Для некоторых установок (система импуль-сно-фазового управления вентильными преобразователями, комплектные устройства автоматики и др.) допустимые значения отдельных гармоник тока (напряжения) указываются изготовителем в паспорте изделия.

Значение коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения Кщ в процентах как результат 1-го наблюдения вычисляем по формуле

I-

740 7Г2

где И(п)г действующее значение напряжения пой гармоники, В, кВ.; Ида - действующее значение междуфазного (фазного) напряжения основной частоты для 1-го наблюдения, В, кВ.

Значение коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения Ки впроцентах как результат усреднения N наблюдений Ки на интервале времени, равном 3 с, вычисляют по формуле

где N - число наблюдений; 1 - текущий порядок наблюдения; п- текущее целое число, обозначающее порядок гармоники;

Значение коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения Ки не должно превышать в течение 95% времени значения установленного ГОСТом 54149-2010 (табл. 1) и в течение 100% времени значения (табл. 2).

Результаты измеренного Ки на подстанциях приведены на рис. 1.

Таблица 1

Значения суммарных коэффициентов гармонических составляющих напряжения Ки, %, для напряжения электрической сети

6-25 кВ 110-220 кВ

5 2

Таблица 2

Значения суммарных коэффициентов гармонических составляющих напряжения Ки, %, для напряжения электрической сети

6-25 кВ 110-220 кВ

8 3

ГПП ПС

8 123

пункт измерения

Рис. 1. Значения суммарных коэффициентов гармонических составляющих напряжения Ки, %

Превышение суммарного коэффициента гармонических составляющих межфазных напряжений иАВ,ивс и иСА более чем в полтора раза наблюдается на ГПП 5, на ПС 137 более чем в три раза. Превышение суммарного коэффициента гармонических составляющих Ки(вС) межфазного напряжения ивсзафиксировано на ПС Лебеди и составляет Ки(ВС)=25%, на ПС Тяговая - Ки(ВС)=20%

Коэффициент п-й гармонической составляющей напряжения, Ки(п) в процентах как результат усреднения N наблюдений интервале времени, равном 3с, вычисляют по формуле

.ик.- 7з

■iin.lL->

-100

1/Сп)

(*ис

где _ значение коэффициента п-ой гар-

монической составляющей напряжения в процентах как результат 1-го наблюдения; -действующее значение напряжения основной частоты на 1-ом наблюдении в вольтах, киловольтах

Наибольший интерес представляют гармоники нечетного порядка с номерами 3, 5, 7, так как у них наблюдаются наибольшие амплитуды в спектре напряжений. В ГОСТе 54149-2010 регламентируются нормы КЭв течение 95%, табл. 3.

Значение коэффициента п-ой гармонической составляющей, К]

Таблица 3

и(п)

Порядок Значение коэффициента п-ой гармонической составляющей Код, % для

гармонической напряжения электрической сети

составляющей п 6-25 кВ 110-220 кВ

3 3 1,5

5 4 1,5

7 3 1

Предельно допустимое значение коэффициента п-ой гармонической составляющей для каждой гармоники в 1,5 раза больше нормально допустимого в течение 100% времени.

Сравнение коэффициентов гармонических составляющих КИ(П) межфазных напряжений иАВ,ивс и иСА для гармоник 3, 5 и 7 со значениями КИ(П), установленными ГОСТом 54149-2010

представлено нарис.2-4.

пункт измерения

Рис. 2. Сравнение коэффициентов гармонических составляющих КИ(П) межфазного напряжения иАВ

для гармоник 3, 5 и 7 по ГОСТу 54149-2010

пункт измерения

Рис. 3. Распределение коэффициентов гармонических составляющих КИ(П) межфазного напряжения ивс для

гармоник 3, 5 и 7 по ГОСТу 54149-2010

пункт измерения

Рис. 4. Распределение коэффициентов гармонических составляющих Ки(П) межфазного напряжения ЦдС для

гармоник 3, 5 и 7 по ГОСТу 54149-2010

Наиболее выраженная третья гармоника межфазных напряжений, превышает норму более чем в Зраза на ПС 137, ПС 123 и в 2 раза ПС Тяговая; у пятой гармоники превышение составило более чем в 3 раза на ПС137, в два раз на ПС123 и ПС Тяговая; седьмая гармоника превышает норму в три раза на ПС 137, и более чем в 2 раза на ПС Тяговая, в остальных пунктах измерения Кщп) имеют допустимые значения.

Основные потребители, имеющие нелинейный характер -это тяговая подстанция железной дороги. Электрифицированная железная дорога переменного тока является специфическим потребителем электрической энергии. Помимо того, что электротяговая нагрузка является несимметричным нелинейным потребителем с переменной нагрузкой, имеет место существенное отличие от других потребителей, которое заключается в том, что железная дорога является протяженным приемником электрической энергии, и питание ее тяговых подстанций не может быть осуществлено от одного узла энергосистемы.

Оценка несимметрии напряжений выполнялось на основе расчетов коэффициента несимметрии напряжения по обратной и нулевой последовательности.

Коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности К2и, как результат 1-го наблюдения определялся по формуле:

где ^2(1) - действующее значение напряжения обратной последовательности основной частоты трехфазной системы напряжений в ¿-ом наблюдении, В, к В: ^КД) - действующее значение напряжения прямой последовательности основ-

ной частоты в 1-ом наблюдении, В, кВ.

Коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательностиК0и, %, определялся по формуле:

где - действующее значение напряжения

нулевой последовательности основной частоты трехфазной системы напряжений в 1-ом наблюдении, В, кВ;

Для указанных показателей КЭ установлены следующие нормы:

• коэффициентов несимметрии напряжений по обратной последовательности К2и и несимметрии напряжений по нулевой последовательности К0и в точке передачи электрической энергии, усредненные в интервале времени 10 мин, не должны превышать 2% в течение 95 % времени интервала в одну неделю;

• значения коэффициентов несимметрии напряжений по обратной последовательности К2и и несимметрии напряжений по нулевой последовательности К0и в точке передачи электрической энергии, усредненные в интервале времени 10 мин, не должны превышать 4% в течение 100 % времени интервала в одну неделю.

Значения коэффициентов несимметрии напряжений по обратной последовательности К2и и несимметрии напряжений по нулевой последовательности К0и,между значениями, установленными ГОСТом 54149-2010 представлено на рис.5.Наибольшее значение коэффициента несимметрии напряжения по обратной последовательности К2и составляет 37 %, что в 9 раз превышает норму на ПС 137. К0и по нулевой последовательности на этой же подстанции имеет меньшие значения 25%, что превышает норму в 6 раз.

ГПП ГПП ГПП ГПП пс пс ПС ПС

1 3 5 8 123 137 Лебеди Тяговая

пункт измерения

Рис. 5. Коэффициенты несимметрии напряжений по обратной последовательности К2и и несимметрии

напряжений по нулевой последовательности К0и

Несимметрия напряжений происходит под воздействием неравномерного распределения нагрузок по фазам. Источниками несимметрии напряжений являются: дуговые сталеплавильные печи, тяговые подстанции переменного тока, электросварочные машины, однофазные электротермические установки и другие однофазные, двухфазные и несимметричные трёхфазные потребители электроэнергии.

Показателями КЭ, относящимися к медленным изменениям напряжения электропитания, являются отрицательное 5и^) и положительное 8Ц+) отклонения напряжения электропитания в точке передачи электрической энергии от номинального/согласованного значения, %:

где ит(-), ищ(+) - значения напряжения электропитания, меньшие и0 и большие и0 соответственно, усредненные в интервале времени 10 мин в соответствии с требованиями ГОСТ Р 51317.4.30-2008;и0 - напряжение, равное стандартному номинальному напряжению ипощ или согласованному напряжению иС. Положительные и отрицательные отклонения напряжения в точке передачи электрической энергии не должны превышать 10 % номинального или согласованного значения напряжения в течение 100 % времени интервала в одну неделю, и 5 % номинального или согласованного значения напряжения в течение 95 % времени.

Укажем отклонения напряжения 5и^) и 5Ц+), полученные за период измерений 24 часа, показывает рисунок 6.

Следует отметить, что отрицательное и положительное отклонения напряжения являются положительными величинами.

пунктизмерения

Рис. 6. Положительные и отрицательные отклонения напряжения

Отклонение напряжения явно выражено на ГПП5 и ПС137 и ПС Тяговая. Наибольшее значение зафиксировано на ПС 137, которое составляет +11%.

Обобщая результаты анализа показателей качества электроэнергии для Лебединского ГОКа, получаем следующее:

1. превышение суммарного коэффициента гармонических составляющих межфазных напряжений иАВ,иВс и иСА наблюдается на ГПП 5 более чем в полтора раза, на ПС 137 бо-

лее чем в три раза. Превышение суммарного коэффициента гармонических составляющих Ки(ВС) межфазного напряжения иВСзафиксирова-но на ПС Лебеди и составляет Ки(вс)—25%, на ПС Тяговая - Ки(ВС)=20%;

2. наиболее выраженная третья гармоника межфазного напряжения, имеет превышение более чем в раза на ПС 137, ПС 123 и ПС Тяговая; у пятой гармоники превышение составило более чем в раза на ПС137, в два раз на ПС123 и ПС Тяговая; седьмая гармоника имеет превы-

шение в три раза на ПС 137, на остальных пунктах измерения имеет допустимые значения;

3. отрицательное и положительное отклонение напряжения в среднем составляет 6%, наибольшее значение 11%. Отклонения напряжения оказывают значительное влияние на работу асинхронных двигателей (АД), являющихся наиболее распространенными приемниками электроэнергии в промышленности

4. коэффициенты несимметрии напряжений по обратной и нулевой последовательности в следствии наличия на предприятии нелинейных потребителей в среднем составляет 15%, норма 4%. Наибольшее значение выявлено на ПС 137, где один из потребителей Тяговая ПС, и составляет 36%, что в 9 раз превышает норму, в результате неравномерного распределения нагрузок по фазам.

В ГОСТе указывается, что ответственность за нарушение норм по показателям коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности и коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности лежит на потребителях с несимметричной нагрузкой. Несимметрия напряжения значительно ухудшает режимы работы многофазных вентильных выпрямителей, конденсаторных установок, асинхронных двигателей, синхронных машин. Несимметрия напряжений значительно влияет и на однофазные ЭП, если фазные напряжения неравны, то, например, лампы накаливания, подключенные к фазе с более высоким напряжением, имеют больший световой поток, но значительно меньший срок службы по сравнению с лампами, подключенными к фазе с меньшим напряжением. Несимметрия напряжений усложняет работу релейной защиты, ведет к ошибкам при работе счетчиков электроэнергии и т.д.

Резюмируя, отметим, что в системе электроснабжения Лебединского ГОКа, работающей на нагрузку с нелинейной характеристикой, возникают гармонические составляющие напряжения и тока, процентное содержание которых в ряде случаев превышает нормативные значения в несколько раз. Наибольший вклад в это явление вносят тяговые подстанции железнодорожных сетей комбината. Эти подстанции оказывают кондуктивное влияние на электрические сети и создают гармоники высшего порядка, которые могут вызвать перенапряжения в системе электроснабжения предприятия. Необходимо предусматривать устройства[4], снижающие гармонические составляющие напряжения и тока, такие как специальные фильтры и устройства подавления гармоник.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Боярская Н.П. Влияние гармонического состава токов и напряжений на эффективность энергосбережения / Н.П. Боярская, В.П. Догун: Вестник Красноярского государственного аграрного университета , 2010. - № 4. - С. 130-134

2. Харлов Н.Н. Параметрическая модель узла нагрузки с нелинейными электроприемниками / Н.Н. Харламов: Известия Томского политехнического университета, 2005. - Т. 308. - № 5.- С. 155-159

3. Виноградов А.А. Показатели качества электрической энергии, обусловленные применением светодиодных светильников / А.А. Виноградов, О.Н. Зябкина: Вестник БГТУ им. В.Г.Шухова, 2013 (в печати)

4. Виноградов А.А. Анализ потребления реактивной мощности в электрических сетях 0,4-10 кВ /А.А. Виноградов, М.Н. Нестеров // Светотехника и электроэнергетика. - 2007. -№3-4. - С.50-52.