Анализ работы системы электроснабжения предприятия электротехнической промышленности Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.316.1.016.4

В.В. САКОВ, А.В. МЯСНИКОВ

АНАЛИЗ РАБОТЫ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Высшие гармоники, генерируемые в питающие сети несинусоидальной нагрузкой, оказывают достаточно сильное влияние как на форму питающего напряжения, так и на режим работы питающей сети. Так, протекание гармоники, кратной трем, вызывает дополнительный нагрев нулевого проводника, одновременно вызывая дополнительные потери в обмотках трансформатора. Остальные гармоники также вызывают дополнительные потери в проводниках, искажая форму кривой питающего напряжения.

В настоящей работе представлены некоторые результаты экспериментальных измерений на действующем предприятии электротехнической промышленности. Эксперимент проводился в двух точках системы электроснабжения, питающей следующие нагрузки: механико-гальванический цех (МГЦ), гальванический участок (ГУ), столовая, цех (корпус 4). Срок замеров на каждом участке составлял полные сутки. Интервал осреднения по всем замеряемым параметрам выбирался равным 30 минутам. Данное деление соответствует постоянной времени нагрева, равной 10 минутам, соответствующей минимально возможному сечению проводника и используемой для расчета нагрузок промышленных предприятий [1].

Первый эксперимент проходил на участке, питающем всю нагрузку (РП), второй - на участке, от которого питались МГЦ, ГУ и столовая (ТП). Также на шинах, где проводился эксперимент, были установлены конденсаторные шунтовые батареи с располагаемой мощностью 183,3 кВар.

Количество электрооборудования, установленного на каждом производстве, приведено в таблице.

Установленная мощность потребителей электроэнергии по направлениям использования

Наименование электрооборудования Количество и суммарная мощность, кВт, электродвигателей

цех № 021 МГЦ цех № 078 ГУ-6

количество мощность, кВт количество мощность, кВт

Технологическое

В том числе

электропривод 241 2071 110 1028

электротермическое 6 260 2 15

Вентиляционное 69 354

Подъемно-транспортное 32 97 7 11

Сварочное 4 56

Освещение 911 137,5 530 36

Обследование нагрузки проводилось с помощью прибора для измерения показателей качества и учета электроэнергии ЭРИС-КЭ.01А/тк. Данный прибор предназначен для измерения и регистрации показателей качества и вспомогательных параметров электрической энергии, установленных в [2], их временных характеристик, активной и реактивной мощности в электрических сетях и системах электроснабжения с номинальной частотой 50 Гц. Структурная схема прибора приведена на рис. 1. Прибор состоит из аналоговой и цифровой части. В состав аналоговой части входят БВЦ и АЦП. В состав цифровой части входят: ЦП, ЦСП, ЭНП, ИС, СО, ИП и Клавиатура.

Рис.1. Структурная схема прибора ЭРИС-КЭ.01 А/тк:

БВЦ - блок входных цепей (4 канала напряжения и 4 - тока); БАИ - блок анализа импульсов напряжения; АЦП - аналого-цифровой преобразователь; ЦП - центральный процессор; ЦСП - цифровой сигнальный процессор; ЭНП - энергонезависимая память; ИС - интерфейс связи; СО - средства отображения; ИП - источник питания; РО - устройство расчета и обработки измерений.

Подключение прибора к обследуемому участку сети осуществлялось через трансформаторы тока и напряжения по схемам, приведенным на рис. 2.

Рис. 2. Схема присоединения прибора к трехфазной сети через три трансформатора тока и три трансформатора напряжения по схеме «звезда-звезда с заземленной фазой В с выведенным нулевым проводом»

На рис. 3 представлены графики активной и реактивной нагрузки, а также инвертированные скорости изменения активной составляющей тока во времени, полученные в результате эксперимента. В схеме электроснабжения данного участка ТП питается от шин РП 6 кВ, причем, как отмечалось выше, к данной шине подключены батареи конденсаторов.

Из приведенных графиков нагрузки четко выделяются следующие временные отрезки начала изменения графика:

1) ночной период - с 22:00 - 3:30 для РП и 5:30 для ТП, нагрузка минимальна, идет незначительная перекомпенсация для РП. Здесь следует отметить участок графика для РП с 3:30-5:30, когда идет рост активной нагрузки, отличный от графика нагрузки на ТП, что связано с подключенным к шинам РП кроме ТП еще и цеха;

2) утренний период - со времени окончания ночного периода и до 10:30 -11:00, характеризуется утренним ростом с некоторым установившимся режимом в течение рабочего дня до характерного провала в момент окончания периода;

3) дневной период - характерен резким ростом нагрузки после провала в конце утреннего с постепенным снижением. Заканчивается началом достаточно ровного участка нагрузки в 15:03;

4) вечерний период - с 15:30 - 22:00 для обоих участков. Для ТП следует отметить резкий всплеск реактивной составляющей в конце периода, причем длительность всплеска не нормирована и колеблется от измерения к измерению. Нагрузка на протяжении данного участка достаточно ровная и не превышает пиков дневного и утреннего периодов, в точке начала ночного периода резко падает для обоих участков до уровня ночного минимума.

Из соотношения активной и реактивной составляющей в токе нагрузки для ТП и РП (рис. 3) видно, что в части тока ТП реактивная нагрузка практически равна активной. Отношение реактивной составляющей к активной достигает в

конце вечернего периода значения 3,2, а в ночной период не опускается ниже 1,8. Тогда как для РП за счет включенных КШБ данное отношение не превышает 0,6. Однако изменение коэффициента мощности в течение суток остается практически неизменным с некоторой вариацией вблизи ночного периода.

Рассмотрим такую характеристику нагрузки, как коэффициент несинусои-дальности кривой тока. Данная характеристика не нормируется [2], однако присутствует как параметр для анализа и дальнейшей работы по оптимизации и размещению нагрузки на предприятии, а также для возможной оценки и прогнозирования нормируемого [2] параметра коэффициента несинусоидальности напряжения.

Усредненный коэффициент п-й гармонической составляющей к

I (п)

О/

%,

вычислялся следующим образом (в применение к анализатору качества электроэнергии, используемому при проведении эксперимента) [3,4]:

к = 1 &1 (п) -

М .

X

1=11

7,(п)

100%

N

М

где 11(1.) - действующее значение напряжения основной частоты на 7-м наблюдении, В; 1п(7) - действующее значение напряжения п-й гармоники на 7-м наблюдении, В; N - количество измерений напряжения п-й гармонической составляющей на интервале 3 с, N>9; М - количество среднеквадратических сумм на интервале осреднения, равном 30 мин.

Усредненный коэффициент несинусоидальности тока к, вычислялся по формуле (с учетом внутреннего представления данных в приборе) [3,4]:

к1 =

( 40 / \2 ^

N У ( Г7,( Ь) Г

У Ь—2 100%

7 —1 ,(1)

)

N

М

где Ь - номер гармоники.

Учет каждой из 40 гармоник при рассмотрении к1 достаточно сложен и в общем случае не необходим. Для упрощения представления графика к, через ее составляющие при анализе гистограммы гармонических составляющих были отобраны наиболее характерные частоты, а именно 3, 5, 7 и в добавок к ним 17 и 19. Обработка допускаемой погрешности Дк и Дк 7 для 3,

5, 7 и для 3, 5, 7, 17 и 19 гармоник выполнялась по следующим формулам:

-(к

к1(3) + к1 (5) + к1 (7) И (1)

2

',2

I (1

Д к

— I кI —

к2(3) + к,2(5) + к2(7) + к

2

2

+к

2

I (1

2

2

I (3,5,7,17/19)

Все расчеты выполнялись относительно фазы А на РП. Данные, полученные для ТП, питающегося от данного РП, идентичны, что свидетельствует о схожем характере остальной нагрузки, подключенной к данному РП.

Графики к,, а также расчетный к, с учетом только 3, 5, 7 и 3, 5, 7, 17 и 19 гармониками приведены на рис. 4.

Из представленных графиков видно, что погрешность, допускаемая при учете только 3, 5 и 7 гармоник, не превышает 0,6 А, что соответствует 1,57% относительной погрешности для графика тока, тогда как учет гармоник 17 и 19 оказывает наибольшее влияние лишь на ночной период графика нагрузки. Однако, анализируя влияние данных двух гармоник, уже можно предположить характер нагрузки, формирующий ночной период в виде 18-пульсных выпрямительных установок. Следовательно, исключив из рассмотрения данные гармоники, мы не допустим большой погрешности вследствие небольшой токовой нагрузки, создаваемой приборами, вызывающими представленную несинусоидальность.

При определении взаимосвязей изменения составляющих 3, 5 и 7 гармоник была установлена достаточно тесная обратная корреляционная связь для 3-й гармоники на протяжении полных суток. Графики зависимостей коэффициентов корреляции между коэффициентами п-й гармонической составляющей для 3,5 и 7 гармоник и токовой нагрузкой первой гармоники для 8-часовых

0,5 |

! 5

¡2 ч

и 5

О <5

- 0,3 Ц >

- 0,2 Ц

Время, ч

0,7

0,6

0,4

0,1

0

Рис. 4. Графики коэффициента искажения синусоидальности с учетом всех 39 гармоник, с учетом 3,5 и 7 гармоник, с учетом 3,5,7,17 и 19 гармоник и их абсолютных погрешностей

п-й гармонической составляющей для 3, 5 и 7 гармоник и токовой нагрузкой первой гармоники для 8-часовых промежутков времени

промежутков времени изображены на рис. 5. Это, в свою очередь, позволяет прогнозировать, как минимум, составляющую по 3-й гармонике для последующего роста производства с целью оценки пропускной способности линии не только по расчетной нагрузке, но и по такой качественной характеристике, как искажение синусоидальности кривой напряжения.

Выводы

1. Приведены основные результаты экспериментального обследования нагрузки действующего предприятия электротехнической промышленности цехов типового потребления. На основании полученных данных выделены характерные участки потребления, позволяющие более точно анализировать процесс формирования всего графика нагрузки.

2. В результате обработки полученных кривых токов были рассчитаны коэффициенты п-й гармонической составляющей (п) вплоть до 40-й гармоники включительно, а также построен график искажения синусоидальности кривой тока в зависимости от времени суток.

3. Определены основные гармоники, формирующие «неправильную» форму кривой потребляемого тока, а именно частоты, превышающие основную в 3, 5, 7, 17 и 19 раз.

4. Показано, что погрешность, допускаемая при учете только 3, 5 и 7 гармоник, не превышает 0,6 А, что соответствует 1,57% относительной погрешности для графика тока, тогда как учет гармоник 17 и 19 оказывает наибольшее влияние на ночной период графика нагрузки.

5. Построены кривые зависимости для основных искажающих гармоник и кривой тока основной частоты. Из построенных зависимостей особо выделяется 3-я гармоническая составляющая, наиболее сильно по сравнению с другими обратнозависимая от тока нагрузки.

Литература

1. Волобринский С.Д. Электрические нагрузки промышленных предприятий / С.Д. Во-лобринский, Г.М. Каялов, П.Н. Клейн, Б. С. Мешель. Л.: Энергия, 1971. 264 с.

2. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Минск: Изд-во стандартов, 1998.

3. Карташев И.И. Качество электроэнергии в системах электроснабжения. Способы его контроля и обеспечения. М.: МЭИ, 2000. 120с.

4. Корн Г. Справочник по математике для научных работников и инженеров / Г. Корн, Т. Корн. М.: Наука, 1974. 720 с.

САКОВ ВИТАЛИЙ ВИТАЛЬЕВИЧ родился в 1982 г. Окончил Чувашский государственный университет. Ассистент кафедры электроснабжения промышленных предприятий Чувашского университета. Область научных интересов -расчет электрических нагрузок, качество электрической энергии.

МЯСНИКОВ АЛЕКСАНДР ВАЛЕРИЕВИЧ родился в 1981 г. Окончил Чувашский государственный университет. Ассистент кафедры электроснабжения промышленных предприятий Чувашского университета. Область научных интересов - режимы работы систем промышленного электроснабжения, расчет нагрузок промышленных предприятий.