CC BY
199
УДК 621.313
АНАЛИЗ СРЕДСТВ И СПОСОБОВ ОГРАНИЧЕНИЯ ВЛИЯНИЯ
ПРОВАЛОВ НАПРЯЖЕНИЯ
С.В. Ершов, М.С. Пигалов
Рассмотрены вопросы снижения пагубного влияния на электрическую сеть промышленного предприятия провалов напряжения. Проведен анализ методов и средств, которые возможно применить для снижения провалов напряжения в сети электроснабжения промышленного предприятия. Предложены наиболее перспективные технические решения, позволяющие повысить надежность работы системы электроснабжения промышленного предприятия.
Ключевые слова: электроснабжение, надежность, управление, провалы напряжения.
Наиболее значимый показатель качества электроэнергии, который возникает при внезапном понижении напряжения электрической сети ниже 0,9ином. - это провал напряжения. За провалом наблюдается восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня через определенный промежуток времени от 10 мс до нескольких десятков секунд. Его уменьшение изменяется на 10...100% от номинального. Посадка напряжения на 100% может рассматриваться как кратковременное прерывание питания. Провалы являются наиболее критичными аварийными нарушениями. Они приводят к отключениям и перегрузке электрооборудования и потребителей электроэнергии [1].
Различают следующие устройства, защищающие электрооборудование промышленных предприятий от провалов напряжения (маховик, статический источник бесперебойного питания (ИБП), динамический компенсатор искажений напряжения, статический компенсатор (СТАТКОМ), параллельно работающий СД, повышающий преобразователь, активный фильтр и бестрансформаторный последовательный усилитель).
Провалы напряжения длительностью 20...50 мс могут приводить к ущербам в десятки и даже сотни миллионов рублей за одно нарушение. Самый легкий способ защитить чувствительные процессы от провалов — это установка ИБП. Однако из-за большой стоимости и обслуживания ИБП устанавливаются только для основных потребителей и в местах, где проблемы с электропитанием могут причинить значительные повреждения, например, в системе автоматического контроля за непрерывным химическим производством, таким как производство метанола [2].
Для большинства производственных процессов установка защитного оборудования должна быть обоснована технико-экономическим расчетом, который показывает, что установка ИБП экономически целесообразна. Проблема защиты от провалов напряжения электродвигателей в про-
95
мышленном производстве на данный момент решается как использованием быстродействующих АВР полным временем переключения за 25 ... 45 мс, так и внедрением ИБП.
Маховик вместе с двигателем-генератором (дг) может защитить производственные процессы от всех провалов напряжений. Когда происходит падение напряжения, то снижение напряжения на нагрузке замедляется путем подключения маховика, соединенного с двигателем-генератором.
Основные компоненты Маховика с ДГ это:
1. Дизельный двигатель
2. Электромагнитная муфта сцепления
3. Специальная бесщеточная вращающаяся машина, называемая генератором переменного тока, состоит из:
- синхронного генератора переменного тока;
- аккумулятора кинетической энергии с однократным возбуждением.
4. Силовой шкаф, который содержит блок специальной силовой электроники (обеспечивающей беспрерывность питания), автоматизированные выключатели фидеров нагрузки, конденсаторные батареи и катушки индуктивности (пассивные ЬС-фильтры).
5. Панель управления, содержащая программируемый логический контроллер и платы электронных схем, предназначенные для управления и контроля работы всех блоков системы.
При номинальном режиме работы - рис. 1 (напряжение подается) входной ^1) и выходной ^2) выключатели замкнуты, автоматический байпас ^3) разомкнут, и система питает критические нагрузки через систему Маховика с ДГ. Синхронный генератор работает в качестве двигателя. Вал генератора переменного тока вращается со скоростью 1500 об/мин, в то время как маховик вращается со скоростью 2950 об/мин.
Рис. 1. Работа Маховика с ДГ при наличии сетевого питания
Во время номинального режима работы, который обычно составляет 99,9% всего рабочего цикла, система Маховик с ДГ выполняет следующие функции:
- система устраняет все незначительные перебои длительностью до 50 мс (но не меньше, чем 10 мс), даже при 100% нагрузке, без запуска дизельного двигателя;
- при появлении колебаний напряжения автоматизированная система регулирования напряжения воздействует на ток возбуждения синхронного генератора. Подаваемое напряжение автоматически поддерживается на уровне номинального значения ± 1%. При колебаниях напряжения питания более чем ± 10% происходит размыкание входной выключателя и запускается дизельный двигатель;
С одной стороны, нагрузка является защищенной от возмущений напряжения сетевого питания (перенапряжение из-за разрядов молнии, пиков при переключении, гармонического напряжения) и, даже в случае сети в неустойчивых режимах работы, позволяет подавать в сеть напряжение необходимого качества.
С другой стороны, пики потребления питания (запуски электродвигателей, короткие замыкания и т.д.) и гармонические токи, вызванные нагрузкой (в случае нелинейности), фильтруются системой Маховика с ДГ. Таким образом, сильно уменьшается отрицательное влияние аварийных нагрузок на качество подаваемого напряжения.
Выполняя все вышеописанные функции обеспечения качества электрической энергии, система работает с очень высоким КПД (от 93 до 96,4%): при этом, потребляемая нагрузкой активная мощность не затрагивает синхронный генератор (генератор работает просто как автономный электродвигатель).
Работа при нарушении подачи электроэнергии (рис. 2).
Рис. 2. Работа Маховика с ДГ при нарушении подачи электроэнергии
97
При прекращении подачи напряжения срабатывает входной выключатель. В этом момент синхронный генератор, который до этого работал как электродвигатель, переходит в генераторный режим, при этом панель управления подает сигнал пропорциональный индуктивной связи между валом генератора и маховиком. Подача напряжения для покрытия критичных нагрузок осуществляется без существенных возмущений (менее 5% по напряжению и менее 1% по частоте).
Одновременно с размыканием входного выключателя электрический стартер начинает проворачивать двигатель.
Примерно через 1 секунду электромагнитная муфта сцепления плавно замыкается, тем самым обеспечивается соединение дизельного двигателя с генератором.
Дизельный двигатель быстро принимает нагрузку, а электронный регулятор скорости поддерживает ее постоянный уровень, обеспечивая вращение дизельного двигателя, со скоростью необходимой для выработки активной мощности равной действующей нагрузке.
С этого момента маховик постепенно со своей установленной скоростью.
Недостатком данной схемы являются значительные суммарные механические потери, как в генераторе, так и в дизель - генераторе.
Статический ИБП. Основные компоненты статического ИБП, который запасает энергию только для защиты от провалов напряжения на короткое время, представлены на рис. 3. Если произошло снижение напряжения, нагрузка начинает получать питание от батареи через преобразователь напряжения постоянного — переменного тока.
Рис. 3. Схема включения ИБП для компенсации провалов
напряжения
98
Учитывая, что на производстве метанола применяются мощные компрессорные установки, то для качественной компенсации провалов напряжения нужны источники бесперебойного питания большой мощности. Их стоимость будет несоизмерима высока по сравнению с потерями от провалов напряжения. Что и является основным недостатком этого способа.
Статический компенсатор (СТАТКОМ), подсоединенный параллельно нагрузке, может снижать провалы напряжения путем добавления реактивной мощности в сеть (рис. 4). Способность снижать провалы может быть усилена путем использования дополнительного источника энергии, такого как сверхпроводящий магнитный источник энергии.
Сеть
Рис. 4. Статический компенсатор
Хотя компенсаторы СТАТКОМ (рис. 4) способны поглощать и возвращать реактивную мощность ^статюм, их по причинам экономического характера применяют лишь для статической компенсации.
Система СТАТКОМ в режиме снижения напряжения переходит в режим источника постоянного тока. Напряжение на выводах конденсатора может поддерживаться постоянным.
Повышающий преобразователь. Для защиты электрооборудования от провалов напряжения используют преобразователь постоянного тока, повышающий напряжение шин постоянного напряжения (например, двигателя с переменной частотой вращения) до номинального уровня (рис. 5). Наибольший провал, который может быть компенсирован повышающим преобразователем, зависит от его номинального тока. Повышающий преобразователь начинает работать, как только провал напряжения будет зафиксирован на шинах постоянного тока.
99
Повышающий модуль преобразователя
Рис. 5. Повышающий преобразователь
Вместе со способностью обеспечить компенсацию симметричного провала напряжения до 50 %, повышающий преобразователь имеет возможность компенсировать глубокие несимметричные провалы, такие как полный выход из строя одной из фаз. Для защиты от полного отключения электроэнергии повышающий преобразователь может быть снабжен батареями.
Недостатком этого способа является необходимость применения дорогостоящих частотных преобразователей очень большой мощности (2,5 тыс. кВт)
Активный фильтр (рис. 6) [2, 4] — это преобразователь, который может работать как выпрямитель, при использовании ЮВТ тиристоров вместо диодов. Активный фильтр может постоянно поддерживать напряжение в течение всего периода провала напряжения.
Рис. 6. Активный фильтр
Номинальный ток активного фильтра определяет максимальное значение компенсации провала напряжения.
Бестрансформаторное устройство с последовательной добавкой напряжения. В случае возникновения провала напряжения статический выключатель устройства, показанного на рис. 7, открывается и нагрузка
100
начинает получать питание через инвертор. Энергия на шинах постоянного напряжения инвертора поддерживается двумя заряженными и последовательно соединенными конденсаторами.
Рис. 7. Бестрансформаторное устройство с последовательной
добавкой напряжения
При провалах напряжения до 50 % это устройство может восстановить номинальный уровень напряжения. В данном устройстве имеющиеся источники питания (конденсаторы) могут смягчить полное отключение электроэнергии на ограниченный период времени. Устройство обеспечивает возможность восстановления напряжения и при несимметричных провалах.
Недостатки устройств, изображенных на рис. 6 и 7 это возможность компенсации провалов напряжения на участках с небольшой мощностью.
Вне зависимости от большого разнообразия регулирующих устройств, их можно разделить на два основных типа. Узловые устройства, которые меняют режимные параметры сети: напряжение и реактивную мощность в точке присоединения. К таким средствам можно отнести генераторы, синхронные компенсаторы (СК), конденсаторные батареи (БК), реакторы и статические тиристорные компенсаторы реактивной мощности (СТК).
Специальные быстродействующие компенсаторы целесообразно применять в системах электроснабжения непрерывных производств, если имеются крупные установки, работающих с ударной нагрузкой. Статистические конденсаторы в регулируемых установках поперечной компенсации наряду с компенсацией реактивной мощности так же можно использовать как средства регулирования напряжения. Линейные устройства корректируют характеристики сети - реактивное сопротивление, коэффициент трансформации. Это такие средства, как устройства продольной компенсации (УПК), трансформаторы и автотрансформаторы и др. Возможность применения генератора в качестве регулирующего устройства, определяется его исполнением, тепловым режимом, системой возбуждения и автоматическими регуляторами возбуждения (АРВ) [2].
101
Наиболее эффективным в обеспечении непрерывности технологических процессов при возникновении провалов напряжения в энергосистемах является комплексный подход. Он подразумевает анализ функционирования ответственных узлов и механизмов, электродвигателей, приборов и элементов собственных нужд в сочетании с отключением двигателей наименее ответственных механизмов при одновременном снижении напряжения до 0,7 ином с длительностью 0,5 с. Для следующих ступеней защита электродвигателей ответственных механизмов устанавливается при снижении минимального напряжения до 0,5ином и времени 3^9 с. Она используется для обеспечения безотказности работы автоматического ввода резерва двигателей взаимно резервированных механизмов [3]. При возникновении повреждения на линии, питающей подстанции, она отключается защитой. Далее происходит срабатывание АВР ли АПВ. Когда происходит авария, то это автоматически приводит к провалу напряжения. Это более сложный случай, потому что пропадает связь с источником питания и происходит нарушение синхронности синхронных двигателей. Эти особенности определяют условия для восстановления нормального режима так как при этом происходит массовый и одновременный самозапуск двигателей. В некоторых случаях - это не возможно из-за ограничений по падению напряжения. Таким образом, все двигатели можно разделить на группы, и самозапуск начинают производить постепенно, очередями, в соответствии с условиями технологических процессов непрерывных производств.
В последние годы разработаны и внедрены специфические устройства, обеспечивающие быстрое включение резерва (БАВР) на напряжение 6^10 кВ. Они характеризуются малым периодом отключения питания, в ходе которого синхронные двигатели не успевают выйти из синхронизма, а асинхронные практически не меняют скорость вращения. Это дает возможность обеспечить минимизацию параметров самозапуска, снижая риск нарушения технологического процесса при коммутации приемников от одного источника к другому. Схема БАВР выполнена в виде бесконтактной (тиристорной) и контактной аппаратуре.
Технологические источники помех должны быть отделены от других чувствительных к этим помехам потребителей электроэнергии. Для этого они подключаются напрямую к сети 110...220 кВ, при этом мощность короткого замыкания в точке присоединения должна быть во много раз больше мощность источника помех.
Критерий оптимального управления параметрами напряжения в электрических сетях является сложной зависимостью от многих переменных из-за присутствия большого числа параметров, взаимосвязей и их взаимного влияния. Таким образом, можно говорить о том, что оптимизация регулирования параметров напряжения имеет многоцелевой характер. При этом функциями целевых показателей могут считаться стоимость, безотказность и качественные показатели системы электроснабжения промышленных предприятий с непрерывным технологическим циклом [2].
102
Становится актуальным создание быстродействующих устройств коммутации, которые имеют управляемый момент или фазовую коммутацию. Эффект от их применения виден только при достаточно малых колебаниях времени включения. Повышенная точность момента включения дает возможность осуществлять функции защиты электрооборудования. При несинхронном включении воздушных линий с высокой нагрузкой в режиме АПВ перенапряжения достигают (3,5...4)иф.
Наиболее эффективны для уменьшения влияния провалов напряжения автономные источники питания. Из них можно выделить дизель-генераторные блоки, собственные источники питания предприятий и стабилизаторы напряжения.
Подстанции могут быть использованы в качестве резервного источника питания. У таких подстанций - ограниченный моторесурс. В качестве кратковременных включений их применение возможно, но не в других случаях [3]. Установка стабилизаторов напряжения возможна между электрической сетью и приемниками электрической энергии. По числу фаз такие устройства могут быть как одно -, так и трехфазным. Стабилизаторы время от времени повышают качество электрической энергии, а также защищают от провалов напряжения различной длительности. Многие современные модели дают достаточно высокую степень стабилизации напряжения. Они дают возможность устанавливать требуемый уровень регулирования. Главный недостаток стабилизаторов заключается в том, что он не осуществляет защиту от глубокого и длительного провала напряжения, а также полного исчезновения напряжения в сети [3].
Список литературы
1. Жежеленко И.В. Показатели качества электроэнергии и их контроль на промышленных предприятиях. М.: Энергоатомиздат, 2014. 167 с.
2. Никифоров Г.В., Олейников В.К., Заславец Б.И. Энергосбережение и управление энергопотреблением в химическом производстве. М.: Энергоатомиздат, 2013. 479 с.
3. Овчаренко А.С., Розинский Д.И. Повышение эффективности электроснабжения промышленных предприятий. Киев: Техника, 2012. 286 с.
Ершов Сергей Викторович, канд. техн. наук, доц., erschov.serrg@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Пигалов Максим Сергеевич, магистр, kafelene@,rambler.ru. Россия, Тула, Тульский государственный университет
ANALYSIS OF MEANS AND METHODS OF LIMITATION OF INFLUENCE
VOLTAGE FAILS
S. V.Ershov, M.S.Pigalov 103
The problems of reducing the harmful effects on the electric network of an industrial enterprise of voltage dips are considered. The analysis of methods and means that can be used to reduce voltage failures in the power supply network of an industrial enterprise is analyzed. The most promising technical solutions are proposed, which make it possible to improve the reliability of the power supply system of an industrial enterprise.
Key words: power supply, reliability, control, voltage dips.
Ershov Sergey Victorovich, candidate of technical science, docent, er-schov. serrg@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Pigalov Maxim Sergeevich, magister, kafelene@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.316.06
АНАЛИЗ КОНСТРУКТИВНЫХ СХЕМ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ ОТ КОРОТКОГО
ЗАМЫКАНИЯ
В.М. Степанов, Н.А. Свистунов
Рассмотрены принципы работы дифференциальной защиты силовых трансформаторов, а такжеспособы исполнения дифференциальной токовой защиты.
Ключевые слова: дифференциальной релейная защита, силовой трансформатор,дифференциальная токовая отсечка, короткое замыкание.
Силовые трансформаторы являются одними из важнейших, а также дорогостоящих компонентов энергетической системы. Поэтому в соответствии с ПУЭ они обязаны иметь защиту от коротких замыканийиненор-мальных режимов.
Так как дифференциальная защита является защитой с абсолютной селективностью,то и реагирует она только на повреждения, возникающие в защищаемой зоне. Защищаемая зона определяется расположением измерительных трансформаторов тока. Благодаря этомуне требуетсяпроизводить её согласование с другими смежными защитами, что позволяет защите действовать без выдержки времени. Таким образом данная защита удобна для применения в качестве основной быстродействующей защиты для всех важных элементов системы.
В основе принципа работы дифференциальной защиты лежит сравнение токов. Для исключения излишние срабатывания защиты необходимо выполнить правильный выбор измерительных трансформаторов тока.
