CC BY
21
Simulated model of variable loads in the software environment Matlab Simulink. Depicts the required parts of the model to reproduce the required load chart detailing the used blocks.
Key words: simulation model, variable load, electric arc furnace, normal distribution, graph of loading.
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
БЕЗОТКАЗНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПРЕДПРИЯТИЙ
Е.П. Зацепин
Рассматриваются вопросы безотказности электрических систем предприятий, приведена классификация методов исследования надежности. Рассмотрены основные возмущения электромагнитной совместимости микропроцессорных устройств.
Ключевые слова: система, релейная защита, средства автоматики, электрооборудование, перенапряжения, компенсация, обслуживание, емкостные токи, функционирование.
Количественный рост числа защитных средств приводит к увеличению случаев нарушений, в работе электрических систем вызванных неправильными действиями защиты. По материалам докладов сессии СИГРЭ в Швеции за 15 лет число таких нарушений выросло в 2 раза [1]. Развитие систем электроснабжения выдвигает на первое место повышенные требования к качеству работы релейной защиты и средств автоматики. Наряду с такими характеристиками как: селективность, чувствительность и быстродействие, надежность является одним из основных параметром систем релейной защиты и автоматики. Основной путь повышения безотказности систем состоит в совершенствовании элементной базы и применяемых схемотехнических решений. Надежность системы закладывается на этапе проектирования и ее расчета. Для одной и той же системы могут быть выбраны разные критерии, а так же составлены различные структурные схемы в зависимости от анализируемой функции и вида отказов. Существует большое количество различных методов расчета надежности, но при всем разнообразности их можно подразделить на три основные группы: аналитические, статистического моделирования и статистические.
Разновидности аналитических методов первых двух групп, в основном применяются для невосстанавливаемых объектов, используются с количественными показателями надежности при любых законах распределения наработки на отказ элементов системы. Третья группа методов определяется видом законов распределения наработки на отказ и восстановления отказов, а также степень сложности системы. На рис.1 приведена схема классификации математических методов исследования надежности.
127
При расчете надежности воздушных линий электропередач с позиции их механической прочности и устойчивости к внешним воздействиям традиционно используется детерменистский подход. Он состоит в том, что воздушная линия представляется в виде отдельных элементов, расчет которых осуществляется независимо. Недостаток такого способа состоит в неиспользовании количественных показателей надежности, характеризующих срок службы линии. Надежность каждого рассматриваемого элемента в зависимости от поставленных целей может оцениваться по одному «критическому» событию или одновременно по нескольким параметрам. Для электрических систем можно использовать этот метод с отказами, сведенными к двум типам: коротким замыканиям и перерывам в электроснабжении [2]. Целью управления надежностью системы служит обеспечение необходимой эффективности ее функционирования.
При оценке надежности систем релейной защиты и средств автоматики сложились два подхода к выбору критериев отказов: технический (аппаратный) и эксплуатационный [3], который близок по характеру к параметрическим. Системы релейной защиты и средств автоматики электроснабжения не используются как самостоятельные устройства в отрыве от защищаемого объекта. Поэтому критерии надежности релейной защиты и средств автоматики напрямую связаны с параметрами системы электроснабжения. С увеличением структурной сложности систем релейной защиты и средств автоматики особенно с переходом на микропроцессорную базу усиливается связь между параметрами защиты и защищаемой системы.
надежности
Классический анализ надежности систем релейной защиты и автоматики принято проводить по трем основным потокам отказов: отказ срабатывания при требовании срабатывания, излишние срабатывания при повреждениях с требованием не срабатывания и ложные срабатывания при отсутствии повреждений, как в системе электроснабжения, так и системах релейной защиты и автоматики [4]. Безотказность средств релейной защиты и автоматики электрических систем в значительной степени определяются своевременностью технического обслуживания и устранения неисправностей. Постоянная диагностика состояния системы в процессе ее эксплуатации позволяет предотвратить развитие не состоятельности системы до той стадии, на которой наступает угроза полного отказа функционирования. Тестовый контроль предназначен для
128
выявления дефектов, приводящих к отказам и лишним срабатываниям отдельных устройств релейной защиты. В настоящее время появились варианты реализации устройств на микропроцессорной технике. Результаты исследований отказов релейных систем показывают, что неправильные действия защит с помощью органов контроля предотвращаются более чем в 70% случаях, а эффективность в обнаружении всех видов повреждений достигает 80...90%. Затраты на встроенную аппаратуру контроля по данным [5] составляют от 15% до 25% стоимости контролируемой системы защиты.
Кроме выполнения традиционных задач современная релейная защита и автоматика может решать дополнительные, новые задачи, которые специфичны только для вычислительной техники [6]. Если безотказность нельзя обеспечить путем повышения надежности отдельных элементов, то используется резервирование, то есть создание структурной избыточности. Для оценки безотказности сложных систем необходим универсальный математический аппарат, который позволяет осуществлять анализ с любым количеством упрощений. Основой такого аппарата на наш взгляд является теория случайных импульсных потоков. Предотвращение развития аварий и создание условий быстрого восстановления системы электроснабжения при повреждениях отдельных единиц оборудования является основной задачей релейной защиты и средств противоаварийной автоматики [7].
Электромеханическая аппаратура морально и физически устарела. Она не позволяет добиться высокой точности, быстродействия, выполнять сложные функции, поэтому, нуждается в замене. Актуальным является развитие устройств защиты и средств автоматики на полупроводниковых элементах. Основные характеристики микропроцессорных устройств значительно выше, чем у микроэлектронных, а тем более электромеханических. Их мощность потребления от измерительных трансформаторов тока и напряжения, находится на уровне 0,1.0,5 ВА, измерительная погрешность лежит в пределах 2.5%, коэффициент возврата измерительных органов составляет 0,97 [8].
Использование микропроцессорных устройств позволяет осуществлять управление работой с пульта. Применение микропроцессорных устройств совместно с БСЛВЛ-системами обеспечивает передавать сотни сигналов срабатывания защиты от одного терминала. Это делает возможным детально анализировать события с помощью сигналов, приходящих на терминалы и генерируемыми внутри них при авариях с дискретностью до 1 мс. [9]. Микропроцессоры не способны выдерживать перегрузки, они высокочувствительны, что приводит к ложным срабатываниям. Препятствием внедрения цифровых устройств, служит относительно большая их цена и обучение обслуживающего персонала. Это является тем, что на сегодняшний день микропроцессорная защита в системах электроснабжения составляет в пределах 1% от устройств релейной защиты и автоматики.
Неустойчивая работа релейной защиты по причине недостаточной электромагнитной совместимости согласно данным «Мосэнерго» составляет до 10% от всех случаев ложных срабатываний. Происходит это в основном из-за микроэлектронной и микропроцессорной элементной базы реле. По данным [10], если для нарушения работы электромеханического реле требуется энергия 10-3 Дж, то нарушения работы интегральных микросхем вызывает всего 10-7 Дж. Разница может составлять 4 порядка [11,12].
Неповторяющиеся сбои в работе релейной защиты с последующим восстановлением нарушенной функции превалируют в большинстве случаев. Согласно данным [13,14] нарушения функционирования такого рода составляют до 70% от общего числа нарушений, причем 80% этих сбоев происходит в интегральных микросхемах.
Оказывают влияние на элементы систем релейной защиты и автоматики, выполненных на базе микропроцессоров, так же коммутационные процессы и электромагнитные поля электрооборудования. Пути воздействия помех могут быть разными.
Это прямые индуктированные наводки низковольтных проводов и кабелей, а также импульсные и высокочастотные перенапряжения, возникающие в обмотках трансформаторов тока и напряжения [15-19]. Основные причинно-следственные возмущения электромагнитной совместимости микропроцессорных устройств, представлены на рис.2.
Качество напряжения в питающей сети также в некоторых случаях сказывается на работе микропроцессорных устройств. В тоже время микропроцессорные реле и средства автоматики достаточно долго сохраняют работоспособность при полных провалах напряжения питания вплоть до 40...20% от номинального напряжения. Происходит это потому, что в микропроцессорных реле и средствах автоматики используются импульсные источники питания. Наряду с положительными факторами внедрение в системы электроснабжения микропроцессорных средств релейной защиты и автоматики привело к появлению новых проблем. К ним относятся: требования к конструкции, параметрам и программному обеспечению; технико-экономический эффект замены электромеханических устройств на микропроцессорные; оптимальное количество функций в одном устройстве; необходимость резервирования; условия эксплуатации; критерии электромагнитной совместимости; надежность; влияние человеческого фактора.
Помехи электромагнитной микропроцессорных
Непрерывность в электроснабжении
Перенапряжения
Выход из строя устройства
Коммутационные процессы
Гармонические составляющие
Количество, выполняемых
Необходимость резервирования
Качество питания электрической сети
Человеческий фактор
Рис. 2. Основные возмущения электромагнитной совместимости микропроцессорных устройств
Результаты выполненного анализа литературных источников свидетельствуют, что не все задачи, а тем более проблемы связанные с воздействием негативных возмущающих факторов на функционирование систем электроснабжения, автоматики, релейной защиты и их оборудование изучены не в достаточной мере. Фундаментальных исследований в этой области вообще не проводилось. Поэтому методы, применяемые для повышения эффективности функционирования систем электроснабжения, нуждаются в совершенствовании.
Работа выполнена в рамках научного проекта № 17-48-480083 при финансовой поддержке РФФИ и администрации Липецкой области.
Список литературы
1. Дьяков А.В., Мамиконянц Л.Г., Савваитов Д.С. Сессия Международной конференции по большим электротехническим системам высокого напряжения // Электричество. 1991. №10. С. 1-10.
2. Зацепина В.И. Влияние избыточности на безотказность систем электроснабжения // Вести вузов Черноземья, 2012. №1. С. 10-14.
3. Житников, Ю.З., Блинников М.Е., Житников Б.Ю. Оценка надежности работы сложных систем // Надежность и контроль качества, 1996. №5. С. 54-62.
4. Федосеев А.М. Релейная защита электроэнергетических систем // М.: Энер-гоиздат, 1984. 520 с.
5. Шамис М.А. Встроенные средства контроляустройства релейной защиты на микроэлектронной базе // Электрические станции, 1986. №6. С. 64-67.
6. Кащеев Л.А., Окин А.А., Мошкин Е.А. Адаптивная централизованная система противоаварийной автоматики // Электричество, 1991. №10. С. 10-16.
7. Лобанов А.В. Обнаружение и идентификация неисправностей в распределительных управляющих вычислительных системах с программно-управляемой сбое- и отказоустойчивостью // Автоматика и телемеханика, 1998. №1. С. 155-163.
8. Пахомова А.Б. Релейная защита: цена ошибки // Оборудование, 2003. № 9.
9. Применение и техническое обслуживание микропроцессорных устройств на электростанциях и в электросетях. Устройства релейной защиты и автоматики распределительных электрических сетей. М.: ИНЦ ЭНАС, 2001. 120 с.
10. Линт Г.Э. Серийные реле защиты, выполненные на интегральных микросхемах. М.: Энергоатомиздат, 1988. 240 с.
11. Зацепина В. И., Шилов И. Г., Мамонтов А. Н. Система динамического подавления амплитудно-фазных искажений напряжения // Вести вузов Черноземья, 2010. №1. С. 14-17.
12. Шахматов С.П. Анализаторы качества электроэнергии и параметров электросетей // Энергетик, 2004. №9. С. 42-43.
13. Зацепина В. И., Шилов И. Г., Мамонтов А. Н. Система динамического подавления амплитудно-фазных искажений напряжения // Вести вузов Черноземья, 2013. №1. С. 25-33.
14. Быстров Ю.А., Мироненко И.Г. Электронные цепи и микросхемотехника. М.: Высшая техника, 2002. 384 с.
15. Ковалев Г.Ф., Лебедева Л.М. Модель оценки надежности электроэнергетических систем при долгосрочном планировании их работы // Электричество, 2000. №11. С. 17-24.
16. Шпиганович А.Н., Шпиганович А.А., Бош В.И. Случайные потоки в решении вероятностных задач. Липецк, 2003. 224 с.
17. Володарский В.А. Интенсивность отказов оборудования, прошедшего ремонт // Электричество, 1993. №1. С. 22-24.
18. Партала О.Н. Цифровые КМОП микросхемы: справочник. СПб.: Наука и техника, 2001. 400 с.
19. Шпиганович А.Н., Зацепина В.И., Шилов И.Г. О восстановлении электроснабжения при кратковременных провалах напряжения // Промышленная энергетика, 2008. №10. С. 15-17.
Зацепин Евгений Петрович, канд. техн. наук, доцент, kaf-eo@stu. lipetsk. ru, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет
RELIABILITY OF ELECTRICAL SYSTEMS E.P. Zatsepin
The article deals with the reliability of electrical systems of enterprises, classifies methods for investigating reliability. Considered the main perturbations of electromagnetic compatibility of microprocessor devices.
Key words: system, relay protection, automation means, electrical equipment, overvoltage, compensation, maintenance, capacitive currents, operation.
Zatsepin Evgeniy Petrovich, candidate of technical science, docent, kaf-eoastu. lipetsk. ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University
УДК 621.313
СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ ЭНЕРГОКОМПЛЕКСОВ НА БАЗЕ ВЕТРОГЕНЕРАТОРНЫХ УСТАНОВОК
С.В. Ершов, Г.А.Аббазов
Проанализированы основные крупные направления развития современной ветроэнергетики: применение отдельных ветроэлектрических установок (ВЭУ) малой мощности, предназначенных для обеспечения автономного электроснабжения изолированных объектов и объектов, которые значительно удалены от электрических сетей; внедрение крупные энергокомплексов на базе ветропарков (ВП) на основе ВЭУме-гаваттного класса, подсоединенные к объединённым энергосистемам.
Ключевые слова: автономные источники электроэнергии, ветроэнергетические установки, ветропарки, автономные потребители электроэнергии.
Принцип преобразования энергии ветра в механическую энергию в современных мощных ВЭУ основан на вращении трёхлопастных горизонтально-осевых ветродвигателей, которые имеют относительно высокий коэффициент использования энергии ветра. Кроме этого, в них предусмотрена возможность регулирования крутящего момента посредством изменения углов установки лопастей.
Из характерных особенностей крупных ВЭУ является можно выделить применение механической трансмиссии, повышающей до требуемой величины частоту вращения приводного вала. Такое решение дает возможность использовать в установках стандартные электрогенераторы. Применение стандартных агрегатов снижает затраты на выработку киловатт-часа электроэнергии. Низкооборотные генераторы особой конструкции для ВЭУ серийно производятся одной лишь компанией «Энеркон» [2].
Другой отличительной особенностью современных мощных ВЭУ является использование в большинстве установок (более 80 %) асинхронных генераторов, имеющих короткозамкнутый ротор. Несмотря на невысокие энергетические показатели, факторами, влияющими на выбор подобного решения, являются более высокая надёжность асинхронных машин, а также меньшие затраты на выработку единицы электрической энергии. Что объясняется их меньшей стоимостью. Синхронные генераторы, включаемые в сеть и не имеющие промежуточных преобразователей, применяются значительно реже.
Несмотря на относительную простоту и высокую надёжность установки на базе ВЭУ с синхронными генераторами или асинхронными генераторами с КЗ ротором обладают одним существенным недостатком - они способны нормально функционировать только при неизменной частоте вращения главного вала. Во многих случаях эта особенность приводит к недовыработке электроэнергии в переходных режимах в областях от минимальной рабочей скорости ветра до номинальной. Указанное обстоятельство вынудило проектировщиков конструировать ВЭУ на базе:
- асинхронного генератора, с возможностью переключения числа пар полюсов и двухскоростным мультипликатором [4, 5];
- асинхронного генератора, имеющего фазный ротор и возможность регулировать скольжение [3,4];
