CC BY
25
При изучении факторов, влияющих на срок службы ограничителя, особое внимание стоит уделять анализу тепловых процессов, происходящих в ОПН. Для решения данной задачи в настоящее время широко применяются конечно-элементные методы тепловых расчетов, так как обладают высокой точностью.
Литература
1. ГОСТ Р 52725-2007. Ограничители перенапряжений нелинейные для электроустановок переменного тока напряжением от 3 до 750 кВ. Общие технические условия. Введ. 2008-01-01. М.: Стандартинформ, 2007. 62 с.
2. СТО 56947007-29.240.01.221-2016. Руководство по защите электрических сетей напряжением 110-750 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений. Введ. 2016-05-16 / ПАО «ФСК ЕЭС». М., 2016. 46 с.
3. ГОСТ 1516.3-96. Электрооборудование переменного тока на напряжения от 1 до 750 кВ. Требования к электрической прочности изоляции: межгос. стандарт. Введ. 1999-01-01. М.: Изд-во стандартов, 1998. 50 с.
4. Дмитриев М. В. Применение ОПН в электрических сетях 6-750 кВ. СПб., 2007. 57 с.
5. Дмитриев В. Л., Красавина М. А., Пугачев С. И. Анализ основных характеристик ограничителей перенапряжения. СПб., 2005. 8 с.
6. Перенапряжения в электрических сетях. Проблемы и опыт эксплуатации. Рекомендации по выбору и применению нелинейных ограничителей перенапряжения. 2000. 61 с.
Сведения об авторе Бороздина Евгения Дмитриевна
лаборант-исследователь лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера — филиала ФГБУН ФИЦ КНЦ РАН E-mail: zhenya_borozdina@mail.ru
РСН 10.37614/2307-5252.2020.7.19.007 УДК 621.311
В. В. Ярошевич, А. С. Карпов, Г. П. Фастий, С. В. Смотров
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ ВЫСОКОЭНЕРГОЕМКИХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ МУРМАНСКОЙ ОБЛАСТИ
Аннотация
Проведены систематизация и анализ результатов мониторинговых регистраций показателей качества электроэнергии (ПКЭ) на шинах подстанций, питающих крупные промышленные предприятия Мурманской обл. На примере действующих подстанций показана проблематика высокоэнергоемких объектов, которые имеют в составе потребителей с нелинейными параметрами. Выявлены проблемы электромагнитной совместимости промышленных потребителей с питающей сетью. Доказана необходимость проведения исследований по выявлению причин несоответствия. Предложен ряд наиболее общих и эффективных мероприятий по ограничению искажений пКэ. Ключевые слова:
промышленный потребитель, качество электроэнергии, горно-обогатительный комбинат, электромагнитная совместимость, подстанция, высоковольтная сеть.
Vera V. Yaroshevich, Aleksei S. Karpov, Galina P. Fastiy, Sergei V. Smotrov ELECTRIC SUPPLY OF HIGH-ENERGY CONSUMERS OF MURMANSK REGION Abstract
The systematization and analysis of the results of monitoring registrations of electric power quality indicators (PQS) on substation buses feeding large industrial enterprises of the Murmansk region was carried out. The example of existing substations shows the problems of high-energy facilities that have consumers with non-linear parameters. The problems of electromagnetic compatibility of industrial consumers with the mains have been identified. The need for research to identify the causes of non-compliance is proved. A number of the most common and effective measures to limit the distortion of the SCE are proposed. Keywords:
industrial consumer, quality of electricity, mining and processing plant, electromagnetic compatibility, the culprit of distortions, the results of experiments, substation, high-voltage network.
Мурманская обл. расположена в Арктической зоне Российской Федерации. Территория региона располагается на Балтийском кристаллическом щите, который богат полезными ископаемыми, поэтому одним из главных направлений деятельности промышленных предприятий Мурманской обл. является горная добыча полезных ископаемых и их переработка. Следует отметить, что для обеспечения полного цикла добычи и переработки предприятиям необходимо постоянное и качественное электроснабжение.
Наиболее крупными промышленными потребителями электроэнергии в регионе (рис. 1) являются:
• АО «Кольская горно-металлургическая компания» (основана на базе двух комбинатов «Североникель» и «Печенганикель») — дочернее предприятие ПАО ГМК «Норильский Никель»;
• АО «Северо-Западная фосфорная компания» (СЗФК) — учреждена ПАО «Акрон» в 2005 г.;
• Кировский филиал АО «Апатит» (входит в структуру группы «ФосАгро») — крупнейшее в мире предприятие по производству высокосортного фосфатного сырья и единственный в России производитель нефелинового концентрата;
• АО «Ковдорский ГОК» (входит в состав минерально-химической компании «Еврохим») — второй по объемам производитель апатитового концентрата в России и единственный в мире производитель бадделеитового концентрата;
• АО «Олкон» (Оленегорский ГОК) — самый северный в России производитель железорудного концентрата, один из сырьевых ресурсов крупнейшей в мире сталелитейной и горнодобывающей компании ПАО «Северсталь»;
• ООО «Ловозерский ГОК» — единственный в РФ производитель лопаритового концентрата (источник тантала, использующийся в электронике, оптике, акустике, хирургии, химической промышленности), ниобия (атомная промышленность, сверхпроводники, легированные стали, оптика) и редкоземельных металлов (лазеры, магниты, катализаторы);
• Филиал АО «РУСАЛ Урал» в г. Кандалакша «ОК РУСАЛ КАЗ» — ведущая компания в мировой алюминиевой отрасли.
Рис. 1. Промышленные предприятия Мурманской обл. Fig. 1. Industrial enterprises of the Murmansk region
Каждое из этих предприятий является градообразующим, а потребители предприятий и города — гальванически связаны. Это вынуждает контролировать электромагнитную совместимость городских потребителей и энергоемких промышленных установок, а также в режиме мониторинга регистрировать качество электроэнергии. Во время регистраций, которые проводились с 2012 по 2018 гг., были зафиксированы несоответствия нормам ПКЭ не только на стороне низкого напряжения 6 (10) кВ, но и на стороне энергосистемы (110, 150 кВ). Для наилучшего понимания, какая нагрузка вносит искажения в качество электроэнергии, представлена характеристика деятельности крупнейших промышленных предприятий Мурманской обл. (табл. 1).
Перечисленные промышленные предприятия являются высокоэнергоемкими, имеют в составе специфических потребителей с нелинейными параметрами, которые зачастую являются источниками ухудшения качества электроэнергии [1-6], что сказывается на показателях энергопотребления других потребителей, подключенных к той же питающей сети, и на эффективности работы самой питающей сети. К специфическим потребителям можно отнести электродвигатели конвейеров, дробилок, грохотов, мельниц, насосных агрегатов, вентиляторов, обогатительного оборудования и др.
При более подробном рассмотрении энергопотребителей таких предприятий выявляются и основные проблемы в области качества электроэнергии. Для обогатительной фабрики, например, основным потребителем электроэнергии является мельница, потребляемая мощность которой около 4000 кВт. Также большая часть электроэнергии потребляется электроприемниками для обогащения (ленточные конвейеры, центробежные насосы, грохоты, мешалки, маслостанции, гидроподпоры, флотомашины, воздуходувки, компрессоры, насосные станции, пресс-фильтры, вакуум-фильтры и линия сушки). На рис. 2 представлена диаграмма распределения потребляемой за год электроэнергии для одной из обогатительных фабрик региона.
Таблица 1
Промышленные предприятия Мурманской обл. Industrial enterprises of the Murmansk region
№ п/п Предприятие Вид деятельности
1 АО «Кольская горнометаллургическая компания» Горно-металлургическое производство по добыче сульфидных медно-никелевых руд и производству цветных металлов
«Печенганикель»
«Североникель»
2 АО «Северо-Западная фосфорная компания» (СЗФК) Разработка собственного фосфатного месторождения и производство фосфорсодержащих удобрений
3 Кировский филиал АО «Апатит» Комплексное горно-обогатительное предприятие по добыче (разрабатывает шесть Хибинских месторождений) и переработке фосфатного сырья (две апатитонефелиновые обогатительные фабрики)
4 АО «Ковдорский ГОК» Горно-обогатительный комбинат по добыче и переработке железной руды
5 АО «Олкон» Горно-обогатительный комбинат по добыче и переработке железной руды
6 ООО «Ловозерский ГОК» Горно-обогатительный комбинат по добыче и переработке лопаритовых руд с получением лопаритового концентрата
7 Филиал АО «РУСАЛ Урал» в г. Кандалакше «ОК РУСАЛ КАЗ» Предприятие с законченным технологическим циклом переработки глинозема с получением алюминия разных марок
9 %
11 %
7 %
5 %
51 %
7 %
I Мельницы
Другие электроприёмники Ленточные конвейеры Линия сушки Флотомашины Мешалки Насосные станции I Компрессоры
Рис. 2. Основные потребители электроэнергии обогатительной фабрики Fig. 2. The main consumers of electric energy in the processing plant
Инструментальные исследования основных электрических характеристик проводились в помещениях подстанций на шинах трансформаторов тока и напряжения. Измерения выполнялись двумя анализаторами качества «Энерготестер ПКЭ-А»
и «Ресурс-ПКЭ» (рис. 3). «Энерготестер ПКЭ-А» (класс А) и «Ресурс-ПКЭ» (класс S) анализируют показатели качества электроэнергии по новым стандартам ГОСТ 32144-2013 [2] и ГОСТ 30804.4.30-2013 [6]. «Энерготестер ПКЭ-А» — это измеритель и регистратор в одном приборе.
«Энерготестер ПКЭ-А» «Ресурс ПКЭ»
Рис. 3. Анализаторы качества электроэнергии Fig. 3. PowerQualityAnalyzers
Результаты регистрации получены в виде архивных числовых данных, которые могут быть представлены в виде недельных (рис. 4а), суточных (рис. 46), почасовых графиков, гистограмм с различным масштабом развертки по времени или в табличном виде, а также в виде протоколов.
б
Рис. 4. Варианты представления результатов измерений Fig. 4. Options for presenting measurement results
а
Исследования показателей качества электроэнергии были проведены на ряде подстанций Мурманской обл. Согласно стандарту [4], регистрации проводятся на каждой подстанции по два раза в год на всех системах шин. В каждой точке измерения длятся одну неделю. Поскольку периодический контроль ПКЭ проводится в исследуемых сетях с 2012 г., общая продолжительность регистраций составляет не одну тысячу часов. Обобщенные результаты измерений приведены в табл. 2. Все обозначения соответствуют стандарту [2, 3, 5].
Таблица 2
Результаты изменений на действующих подстанциях Мурманской обл. на разных классах напряжения The results of changes at existing substations in the Murmansk region at different voltage classes
Промышленный потребитель ЪПу А/ Ки Ки(п) Ки Кои
150-110 кВ
АО «Ковдорский ГОК» с с с н/с с с
Комбинат «Североникель» н/с с с с с с
Комбинат «Печенганикель» н/с с н/с н/с с с
АО «СЗФК» н/с с с н/с с с
35 кВ
Комбинат «Печенганикель» н/с с с н/с н/с с
6-10 кВ
ООО «Ловозерский ГОК» н/с с н/с н/с с с
АО «Ковдорский ГОК» с н/с н/с н/с с с
Комбинат «Североникель» н/с с с н/с с с
АО «Олкон» с с с н/с с с
Комбинат «Печенганикель» с с с н/с с с
АО «Апатит» с с с н/с с с
РУСАЛ КАЗ н/с с н/с н/с с
Примечания. 5иу — установившееся отклонение напряжения; А/ — отклонение частоты; Ки — коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения; Ки(„) — коэффициент п-й гармонической составляющей напряжения; К2и, К0и — коэффициент несимметрии напряжений по обратной и нулевой последовательности соответственно.
Сокращениями «с» и «н/с» показано соответствие/несоответствие показателя качества электроэнергии установленным ГОСТом нормативам.
Наиболее частое отклонение показателя качества электроэнергии наблюдается для коэффициента п-й гармонической составляющей, что в большей степени зависит от нелинейности нагрузки и указывает на необходимость оборудования подстанций дополнительными устройствами, фильтрующими или компенсирующими искажения. Это наиболее сложно выполнимый показатель качества электроэнергии, поскольку высоковольтные установки промышленных предприятий могут как генерировать гармоники так и сглаживать. Поэтому любые изменения в конфигурации нагрузки сразу приведут к изменению данного показателя.
Следует отметить, что искажение данного коэффициента на стороне 110-50 кВ не зависит от нелинейности нагрузки, поскольку силовые трансформаторы обеспечивают полноценную гальваническую развязку с классами напряжений 6-35 кВ. Поэтому на классах напряжений 110-150 кВ необходимо проводить дополнительные исследования по выявлению причин несоответствия нормативам.
При более ранних исследованиях (в период с 2004 по 2012 гг.) [7-11] качества электроэнергии в высоковольтных сетях Мурманской обл. также отмечалось систематическое превышение норм для ПКЭ. Ухудшение качества электроэнергии так или иначе снижает эксплуатационные характеристики системы и ее оборудования и приводит, с одной стороны, к ускоренному износу оборудования, его восстанавливаемым или невосстанавливаемым отказам, с другой — к снижению надежности электроснабжения [12-13].
Наиболее эффективными по ограничению искажений ПКЭ являются следующие мероприятия:
1. Разделение точек присоединения приемников, являющихся генераторами искажений, промышленных предприятий и городской сети с обеспечением гальванической развязки и максимальным ослаблением взаимного влияния через силовые трансформаторы вплоть до выделения питания промышленного предприятия от отдельных силовых трансформаторов.
2. Разработка эффективных систем автоматического регулирования напряжения на шинах 6 (10) кВ, включая изучение возможности использования регулируемых синхронных компенсаторов, устройств компенсации реактивной энергии, регулирования режимов работы мощных синхронных машин или аналогичных систем регулирования реактивной нагрузки.
3. Включение широкополосных силовых фильтров высших гармоник на присоединениях к 6 (10) кВ со стороны нагрузки (источника искажений).
Заключение
1. Проанализированы протоколы регистраций качества электроэнергии на всех крупных промышленных предприятиях Мурманской обл.
2. Проведенный анализ мониторинговых измерений выявил несоответствие нормам ПКЭ не только на стороне низкого напряжения 6 (10) кВ, но и на стороне энергосистемы (110, 150 кВ), что говорит о необходимости проведения дополнительных исследований по выявлению причин несоответствия.
3. Поскольку «виновниками» искажений ПКЭ могут быть потребители, подключенные к точкам общего присоединения, необходима локализация нагрузки вносящей и потребляющей искажения напряжения в сети.
4. Локализовать источник искажения достаточно сложно. Основная трудность локализации виновника заключается в том, что контроль искажений напряжения может выявить группу подключенных параллельно потребителей. Поэтому при определении источника искажений требуется большой объем сопоставительных измерений для получения доказательной базы.
5. Необходима разработка методов и аппаратуры для одновременной регистрации качества электроэнергии на нескольких присоединениях, а также внедрение автоматизированных систем контроля КЭ.
6. Необходима разработка нормативной базы и механизмов стимулирования борьбы с нарушениями качества электроэнергии.
7. При недопустимых значениях отклонения напряжения снижается срок службы электрооборудования подстанций и электроприемников и эффективность работы оборудования, повышается вероятность аварий.
Литература
1. ГОСТ Р 50397-2011 (МЭК 60050-161:1990) Совместимость технических средств электромагнитная. Термины и определения. Дата введения 2012-09-01.
2. ГОСТ 32144-2013 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.
3. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Дата введения 1999-01-01.
4. РД 153-34.0-15.501-00 Методические указания по контролю и анализу качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Часть 1. Контроль качества электрической энергии.
5. РД 153-34.0-15.502-2002 Методические указания по контролю и анализу качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Часть 2. Анализ качества электрической энергии.
6. ГОСТ 30804.4.30-2013 (IEC 61000-4-30:2008) Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Методы измерений показателей качества электрической энергии (с поправкой).
7. Yaroshevich V. V., Karpov A. S. Challenges in Power Supply of the Arctic. 2019. 1-4. DOI: 10.1109/FarEastCon.2019.8934031.
8. Yaroshevich V. V., Karpov A. S., Burtsev A. V. The Consumer Localization Distorting Power Quality: Studying of a Possibility. 2018. 1-4. DOI: 10.1109/FarEastCon.2018.8602817.
9. НевретдиновЮ. М., Фастий Г. П., Ярошевич В. В. Анализ регистрации показателей качества электроэнергии на шинах питающих подстанций // Вестник МГТУ. 2009. Т. 12, № 1. С. 58-64 с.
10. Анализ результатов мониторинговой регистрации показателей качества электроэнергии / Ю. М. Невретдинов [и др.] // Вестник МГТУ. 2014. Т. 17, № 1. С. 67-76.
11. Карпов А. С., Ярошевич В. В., Юшков М. Г. Обоснование технического решения для разработки программно-аппаратного комплекса, способного локализовать источники искажения электроэнергии // Вестник Кольского научного центра. 2014. № 4. С. 102-106.
12. Исследования взаимосвязи показателей качества электроэнергии и надежности электроснабжения / Ю. В. Шаров [и др.]. URL: https://www.lcard.ru/ download/articles/sharov_i_dr_2011_article 1.pdf (дата обращения: 15.01.2020).
13. Чемоданов Е. В. Оценка влияния несимметрии, несинусоидальности и отклонения напряжения на работу электрооборудования предприятия агропромышленного комплекса // Вестник ЧГУ. 2012. № 3.
Сведения об авторах Ярошевич Вера Васильевна
научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера — филиала ФГБУН ФИЦ КНЦ РАН E-mail: yaroshevich_vera@mail.ru
Карпов Алексей Сергеевич
кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера — филиала ФГБУН ФИЦ КНЦ РАН E-mail: karpov@admksc.apatity.ru
Фастий Галина Прохоровна
научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера — филиала ФГБУН ФИЦ КНЦ РАН E-mail: g.fastiy@ksc.ru
Смотров Сергей Викторович
инженер ОМиККЭ ПАО «МРСК Северо-Запада» «Мурманский филиал» E-mail: svsmotrov@kolenergo.ru
DOI 10.37614/2307-5252.2020.7.19.008 УДК 621.548 (470.21)
Л. А. Белова
СИСТЕМА ЗАЗЕМЛЕНИЯ ДЛЯ НАЗЕМНЫХ ВЕТРОУСТАНОВОК
Аннотация
Система заземления для башен наземных ветроустановок (ВЭУ), помимо защитного и функционального заземления, обеспечивает и молниезащитное, что особенно важно, так как ВЭУ восприимчива к ударам молнии. Если предприняты недостаточные защитные меры, риск повреждения ВЭУ из-за удара молнии повышается. Поэтому необходима продуманная встроенная система заземления для башен ВЭУ, которая функционировала бы необходимым образом и гарантировала долговременную механическую прочность и коррозионную стойкость. Конфигурация систем заземления для ВЭУ рассматривается в стандарте МЭК 61400-24, который касается темы молниезащиты для ветряных турбин, включая подробную информацию о выборе мер молниезащиты и защиты от перенапряжений. Желательно создать концепцию молниезащиты на начальной стадии планирования ВЭУ, чтобы избежать затрат на ремонт и дооснащения.
Ключевые слова:
ВЭУ, система заземления, заземляющий электрод фундамента, бетонная башня, гибридная башня.
Liubov A. Belova
EARTH-TERMINATION SYSTEM FOR ONSHORE WIND TURBINES
Abstract
The earth-termination system for towers of ground-based wind turbines in addition to protective and functional grounding provides lightning protection grounding, which is especially important since the wind turbine is susceptible to lightning strikes. If insufficient protective measures are taken, the risk of damage to a wind turbine due to a lightning strike increases. Therefore, a well-thought-out built-in grounding system for wind turbine towers is needed, which would function as necessary and guarantee long-term mechanical strength and corrosion resistance. The configuration of grounding systems for wind turbines is discussed in IEC 61400-24, which deals with the topic of lightning protection for wind turbines, including detailed information on the choice
