CC BY
100
5. Мамошин Р.Р., Хлопков А.М. Модернизация электроснабжения межподстанционной зоны Шалакуша-Плесецкая Северной ж.д. на базе трансформаторных приставок / М.: МИИТ, 2006. 123 с.
6. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.
A. Fomin, O. Assur
Construction of imitating model of a network of a traction electrical supply taking into account power consumption of traction loading
The imitating model of a network of a traction electrical supply taking into account power consumption of traction loading is offered. Reception of an adequate to a real network of imitating model is necessary for the analysis and synthesis of algorithm of management by the device of compensation of the reactive power, which use is perspective for improvement of quality of the electric power of a power line.
Key words: traction grid, power supply, equations of telegraphy, asymmetrical load, quality of the electric power, rapid load, mathematical model, computer modeling.
Получено 02.11.10
УДК 621.316.761.2
А.В. Фомин, канд. техн. наук, лаборант, (4872) 35-54-50,
00-7@mail.com (Россия, Тула, ТулГУ)
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ СТАТИЧЕСКОГО ТИРИСТОРНОГО КОМПЕНСАТОРА ДЛЯ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЙ ПЕЧИ НА МОДЕЛИ
Рассмотрены динамические воздействия на силовое оборудование статического тиристорного компенсатора) в составе электротехнического комплекса «Статический тиристорный компенсатор - cистема электроснабжения - дуговая сталеплавильная печь» при помощи имитационного моделирования.
Ключевые слова: статический тиристорный компенсатор, компенсатор реактивной мощности, фликер, несимметричная нагрузка, показатели качества электроэнергии, резкопеременная нагрузка, устройство поперечной компенсации, математическая модель, компьютерное моделирование.
На рис. 1 приведена типовая схема электротехнического комплекса «Статический тиристорный компенсатор - система электроснабжения - дуговая сталеплавильная печь» («СТК - СЭС - ДСП»). В качестве звена потребления реактивной мощности в подавляющем большинстве в СТК используется тиристорно-реакторная группа (ТРГ). Как правило, тиристорнореакторные ветви ТРГ собираются в треугольник, каждая имеет два реак-
202
тора, включаемых по обе стороны тиристорного ключа для того, чтобы снизить воздействие тока на тиристоры в случае перекрытия реактора. ТРГ рассчитана на низкий уровень напряжения (6.. .35 кВ). В ТРГ относительно низкой мощности обычно используются тиристорные ключи с воздушным охлаждением, при больших мощностях - с водяным охлаждением.
Ток в ветви с реактором регулируется с помощью тиристорных вентилей, включенных встречно-параллельно. Ток меняется от нулевого значения, соответствующего запертому состоянию тиристоров (минимальное потребление реактивной мощности) до максимального, отвечающего полному открытию тиристоров (потребление реактивной мощности максимально).
СТК, кроме ТРГ, включает в себя фильтрокомпенсирующие цепи (ФКЦ), состоящие из конденсаторных батарей и фильтровых реакторов (резонансный контур, настроенный на необходимую частоту). На рис.1 ФКЦ настроены на частоты 150 Гц (Ь=3), 200 Гц (И=4) и 250 Гц (Ь=5). На основной частоте (50 Гц) ФКЦ являются источниками реактивной мощности.
Рис. 1. Типовая схема электротехнического комплекса
«СТК-СЭС-ДСП»
Понизительные печные трансформаторы (на рис. 1 - ЭПТ) отличаются от обычных силовых трансформаторов: 1) большим номинальным током на стороне вторичного напряжения, доходящим до нескольких тысяч и десятков тысяч ампер; 2) повышенным напряжением короткого замыкания, что необходимо для ограничения тока короткого замыкания до 2,5 .4 /ном , так как работа сталеплавильной печи происходит с постоянными толчками токов нагрузки и эксплуатационными короткими замыканиями; 3) повышенной механической прочностью крепления обмотки и
203
отводов, рассчитанных на частые толчки токов и короткие замыкания; 4) возможностью регулирования напряжения в широких пределах.
Расчет параметров электропечного трансформатора аналогичен расчету параметров силового трансформатора. Схема замещения электропечного трансформатора приведена на рис. 2. [2] Нелинейная характеристика зависимости магнитного потока сердечника и тока намагничивания представлена кусочно-линейной характеристикой на рис. 2, где /4, /2, /3-индуктивность фазы электропечного трансформатора, Гн; Щ, Л2 Я3- активное сопротивление фазы электропечного трансформатора, Ом; Ь^ат -нелинейная индуктивность, которая учитывает насыщение трансформатора, Гн; Лт - сопротивление активных потерь в сердечнике, Ом.
Рис. 2. Схемы замещения электропечного трансформатора
Описание электропечного трансформатора по схеме замещения, представленного на рис. 3, позволяет учесть процессы, происходящие в динамических режимах. Например, при подключении электропечного трансформатора к сети переменного тока в случае насыщения его магни-топровода возникают броски намагничивающего тока, природа которых существенно отличается от рассмотренных бросков тока переходного процесса включения ненасыщенного трансформатора. Обычно ошибочно считают, что эти броски получаются только при подключении трансформатора к сети на холостом ходу. Однако броски намагничивающего тока при определенных условиях возможны и при подключении трансформатора с нагрузкой, и в режиме короткого замыкания [3].
Для силовых трансформаторов максимальные броски тока включения на холостой ходу (XX) в сотни и тысячи раз больше тока XX в установившемся режиме, они могут быть на порядок больше номинального тока и обычно такого же порядка, что ударный ток короткого замыкания (КЗ). Последнее обстоятельство послужило причиной того, что до последнего времени броски тока XX привлекали внимание специалистов по релейной защите, которая может воспринять токи включения как токи КЗ. При этом произойдут ложные срабатывания защиты и отключение только что вклю-
Е.2
В.1 ІЛ
ьз КЗ
ченного трансформатора от сети (бывали случаи, когда при этом невозможно было включить трансформатор) [3].
б
Рис. 3. Зависимость Ф(1) трансформатора
Расчет режимов трансформаторов, сопровождающихся сильным насыщением (намагничиванием) стали, является более сложным, чем обычных режимов при ненасыщенной стали. В качестве специальной литературы прежде всего можно рекомендовать книгу [1], в которой, в частности, изложены теория и методика расчета бросков тока включения.
Имитационная модель электротехнического комплекса «СТК - СЭС
- ДСП» на основе схемы, представленной на рис. 1, выполнена в программе МаНаЬ 2008а. Схема замещения ЭПТ приведена на рис. 2.
Для проверки адекватности предложенной имитационной модели в динамических режимах произведем сравнение экспериментальных данных с данными, полученными в результате моделирования на примере ЭПТ 40 МВА для ДСП-50.
Как видно из сравнения результатов моделирования (рис. 4) и эксперимента (рис. 5), расхождение по времени затухания переходного процесса, мгновенным значениям тока фазы А составляет не более 12 %. Данное сравнение было произведено для 20 экспериментов. Учитывая, что время затухания переходного процесса и значения тока фазы А в период включения ЭПТ на ХХ зависит от ряда случайных неконтролируемых факторов (насыщение ЭПТ, время включения ЭПТ), можно считать, что расхождение расчетных и экспериментальных данных в 12 % допустимо с инженерной точки зрения. Следовательно, предложенная имитационная модель электротехнического комплекса «СТК - СЭС - ДСП» пригодна для дальнейшего использования.
Фазный ток ЭПТ Фазы А при включении ЭПТ на холостой ход, А
Рис. 4. Фазный ток на высокой стороне (35 кВ) ЭПТ 40 МВА фазы А при включении ЭПТ на холостой ход, полученный при моделировании
1 .50КА
1.00КА
0.3Б 0.4Б в.55 0.6Б 9.75 0.8Б 0.95 1.0Б 1.1Э
□ 1а_(]5р
Рис. 5. Фазный ток на высокой стороне (35 кВ) ЭПТ 40 МВА фазы А при включении ЭПТ на холостой ход, полученный при измерении (по оси У - ток в кА, по оси - Х - время в с)
При помощи предложенной имитационной модели проверим рассчитанные параметры ФКЦ СТК для ДСП-120. СТК состоит из фильтров, представленных на рис. 1. (ЭИ, 4И и 5И). В табл. 1 приведены расчетные па-
раметры ФКЦ. Расчет производился для минимальной мощности трехфазного короткого замыкания на шинах 35 кВ, равной 600 МВА.
Таблица 1
______Рассчитанные значения фазных токов и напряжений ФКЦ____________
Рассчитанные эффективные значения токов ФКЦ, А
ФКЦ-3 407
ФКЦ-4 315
ФКЦ-5 550
Рассчитанные эффективные значения напряжений на КБ ФКЦ, кВ
ФКЦ-3 30
ФКЦ-4 25,3
ФКЦ-5 24,5
Имитационная модель включения ЭПТ на холостой ход выполнена в программе Матлаб 2008а. Включение ЭПТ происходит на 0,1 с моделирования. Результаты моделирования приведены на рис. 6 и 7.
Рассмотрим включение ФКЦ. Состав ФКУ следующий: ФКЦ-3, ФКЦ-4, ФКЦ-5. Включение ФКЦ производится по следующему алгоритму: ФКЦ-3 включается на 3-й секунде моделирования, через 5 с включается ФКЦ-4, а затем на 13-й секунде моделирования включается ФКЦ-5. Включение ФКЦ рассчитаем в программе Матлаб 2008а. Результаты моделирования приведены на рис. 8 - 11.
Фазный ток ФКЦ-3, А
Рис. 6. Фазный ток ФКЦ при включении ЭПТ на холостой ход, А
к 10 Фазное напряжение на КБ ФКЦ-3, В
Рис. 7. Фазное напряжение на КБ ФКЦ при включении ЭПТ
на холостой ход, В
Таблица 2
Максимальные значения фазных токов и напряжений ФКЦ при включении ЭПТ на холостой ход
Максимальные эффективные значения токов ФКЦ, А
ФКЦ-Э 848
ФКЦ-4 650
ФКЦ-5 6Э6
Максимальные эффективные значения напряжений на КБ ФКЦ, кВ
ФКЦ-Э 37,5
ФКЦ-4 29,5
ФКЦ-5 26,5
Таблица 3
Максимальные значения фазных токов и напряжений ФКЦ
при включении ФКЦ
Максимальные эффективные значения токов ФКЦ, А
ФКЦ-Э 989
ФКЦ-4 1237
ФКЦ-5 1697
Окончание табл. 3
Максимальные эффективные значения напряжений на КБ ФКЦ, кВ
ФКЦ-Э 45,96
ФКЦ-4 45,25
ФКЦ-5 42,43
Рис. 8. Фазные напряжения и токи ФКЦ3 при включении ФКЦ
Рис. 9. Фазные напряжения и токи ФКЦ4 при включении ФКЦ
Рис. 10. Фазные напряжения и токи ФКЦ5 при включении ФКЦ
13 13.02 13.04 13.06 13.08 13.1
Фазные токи при включении ФКЦБ
Рис. 11. Формы фазных напряжений и токов при включении ФКЦ
Как видно из табл. 2 и Э ФКЦ подвержены наиболее сильным воздействиям при их включении. В соответствии с МЭК 60871-1: 2006-07 допускается перенапряжение на КБ, равное 2 номинальным напряжениям КБ не более полупериода. В соответствии с МЭК 60143-1:2005-07 максимальное значение тока, равное 1,7...2,5 тока номинального, при воздействии от 1 до 10 секунд. Рассчитаем отношения максимальных напряжений и токов к номинальным при пуске ФКЦ и сведем в таблицу. Максимальные значения токов для расчета коэффициентов по току следующие:
- для ФКЦ 3- 530 А в течение 1 секунды;
- для ФКЦ 4- 883 А в течение 1 секунды;
- для ФКЦ 5- 1273 А в течение 1 секунды.
Как видно из табл. 4, отношения переходных напряжений к номинальным лежит в области допустимых значений по 1ЕС 60871-1: 2006-07 и имеет определенный запас. Эксперимент проводился при номинальном напряжении, однако по ГОСТ 13109-97 допускается отклонение напряжения на +10 %. При этом запас позволяет выдержать и это отклонение.
Таблица 4
Отношения максимальных значений фазных токов и напряжений ФКЦ к номинальным при включении ФКЦ
Отношения максимальных значения фазных токов ФКЦ к номинальным при включении ФКЦ
ФКЦ-3 1,3
ФКЦ-4 2,8
ФКЦ-5 2,47
Отношения максимальных значения фазных напряжений ФКЦ к номинальным при включении ФКЦ
ФКЦ-3 1,53
ФКЦ-4 1,79
ФКЦ-5 1,73
Отношения переходных токов к номинальным превышают допустимые отклонения по 1ЕС 60143-1:2005-07 на 15 % процентов для ФКЦ 4 и приближаются к допустимому для ФКЦ 5. Данное превышение не является критичным, потому что рассматривается максимальный ток в течение 1 секунды. Если рассматривать максимальный ток в течение 10 секунд, естественно, отношение переходного тока к номинальному будет находиться в пределах стандарта. Из вышесказанного следует, что параметры ФКЦ рассчитаны правильно.
Список литературы
1. Лейтес Л.В. Электромагнитные расчеты трансформаторов и реакторов. М.: Энергия, 1981. 392 с.
2. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в МайаЬ, SimPowerSystems и 81ши11пк. М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2008. 288 с.
3. Электродинамическая стойкость трансформаторов и реакторов при коротких замыканиях/ под ред А.И. Лурье. М.: Знак, 2005. 520 с.
A. Fomin
Research of dynamic modes of static var compensator for arc furnace on the model
Dynamic influences on the power equipment static var compensator as a part of an electrotechnical complex « static var compensator - electrical supply System -the Arc furnace» by means of imitating modelling are considered.
Key words: static thyristor valve, static var compensator, flicker, asymmetrical load, quality of the electric power, rapid load, the device of cross-section compensation, mathematical model, computer modeling.
Получено 02.11.10
УДК 621.316.761.2
А.В. Фомин, канд. техн. наук, лаборант (4872) 35-54-50,
00-7@mai1.com (Россия, Тула, ТулГУ)
ВЕКТОРНЫЙ АЛГОРИТМ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЦИФРОВОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ СТАТИЧЕСКОГО ТИРИСТОРНОГО КОМПЕНСАТОРА
Предложен улучшенный алгоритм функционирования цифровой СУ СТК на основе метода симметричных составляющих и координатных преобразований. Модель предложенного алгоритма СУ СТК была выполнена в программе Ма^аЪ2008а.
Ключевые слова: СТК, компенсатор реактивной мощности, фликер, алгоритм управления, метод симметричных составляющих, преобразование Штейметца, несимметричная нагрузка, показатели качества электроэнергии, резкопеременная нагрузка, устройство поперечной компенсации, математическая модель, компьютерное моделирование.
На практике статический тиристорный компенсатор (СТК) выполняет две функции - симметрирование нагрузки и компенсацию реактивного тока. Для выполнения этих функций необходимо измерять три переменные величины: две координаты вектора тока обратной последовательности и одну - прямой (реактивную) [1,2]. Алгоритм управления СТК сводится к следующему: измеряя составляющие токов, с помощью системы управления выставляют требуемые проводимости фаз компенсатора
