CC BY
15
and Environmental Science. - IOP Publishing, 2018. Vol. 206. No. 1. P. 012007. DOI 10.1088/1755-1315/206/1/012007.
11. KLISHIN, S. V. Modeling of areal release of granular media from the cells using discrete element method taking into account non-spherical particle shape // Fundamental and applied issues of mining Sciences. - 2019. Vol. 6 no. 2. S. 118-123.
12. Neverov S. A., Neverov A. A. Features of the development system with sublevel caving and partial storage blasted Gorn. 2011. No. 2. pp. 29-32.
УДК 621.311 DOI 10.46689/2218-5194-2021-4-1-399-415
ИССЛЕДОВАНИЕ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ ВЫСОКОГОРНОГО РУДНИКА
Р.В. Клюев, О.А. Фоменко, И.И. Босиков, О.А. Гаврина
Приведена методика выполнения исследований уровней высших гармонических в сетях напряжением 6 кВ и разработаны мероприятия по устранению гармоник неканонического ряда. По итогам исследований установлено, что источниками высших гармонических являются тяговые подстанции АТП-500, подключенные к сети 6 кВ группами и в одиночку. В сети 6 кВ выделены 3, 5, 7 и 11 гармоники канонического ряда, а также 3, 4, 6 и 8 гармоники неканонического ряда, уровни которых значительно превышают допустимые уровни по ГОСТ. Наличие неканонических гармоник вызвано несимметрией мостовой схемы (несимметрии тока относительно оси абсцисс). Разработана инструкция предпусковой проверки вентилей мостовой схемы на устранение асимметрии. Установлено преобладание 5 и 7 высших гармонических в сети напряжением 6 кВ. Рекомендовано учитывать возможность резонансных явлений в цепях импульсно-фазного управления электрическими приводами, подключенными к сети 6 кВ рудника и карьера. Выполнение рекомендаций, изложенных в работе, повышает надежность работы мостовых схем тяговых подстанций и устраняет возможность появления неканонических гармоник, что улучшает качество напряжения в соответствии с требованиями ГОСТ.
Ключевые слова: высшие гармонические, рудник, напряжение, ток, канонический ряд, тяговая подстанция, качество электроэнергии.
Введение
В условиях подземных выработок высокогорного рудника преобладает доставка полезного ископаемого тяжелыми поездами с использованием спаренных электровозов, питание сети для которых подается от узловых тяговых подстанций типа АТП-500 с суммарной мощностью преобразователей около 10 % мощности главной понизительной подстанции (ГПП) «Штольня Главная» напряжением 110/6 кВ.
Наличие значительного количества преобразовательных подстанций, подключенных к сети 6 кВ, определяет уровень высших гармонических, превышающий допустимый по ГОСТу. Измерения уровня высших гармонических в сетях 6 кВ на рассматриваемом руднике и карьере ранее не про-
водились, так как энергослужба комбината не располагает методикой и приборами для таких измерений.
В настоящей работе разработана методика измерений высших гармонических с использованием современных приборов, в том числе созданных на кафедре электроснабжения промышленных предприятий СКГМИ (ГТУ), а также сформированы мероприятия по минимизации уровня высших гармонических в этих сетях с целью доведения их до нормируемого по ГОСТу уровня.
Аналитический обзор
Сети напряжением 6 кВ рудника и других небольших потребителей получают питание от подстанции «Штольня Главная» напряжением 110/6 кВ.
В подземных выработках рудника для контактной электровозной откатки на штольне 2004 м и на горизонтах установлены тяговые подстанции, выполненные из комплектных автоматизированных тяговых подстанций типа АТП-500. Тяговая подстанция АТП-500 на 500 А выпрямленного тока при напряжении 275 В состоит из блока трансформатора типа ТМП-180/6 со схемой соединения обмоток «звезда - треугольник» и блока выпрямителей типа ВКЛ-200, собранных по мостовой схеме трехфазного выпрямления (схема Ларионова). Для защиты от коротких замыканий между трансформаторами и выпрямителями в каждой фазе установлены предохранители типа ПН-2 (ПНБ). Подключение контактного провода к АТП осуществляется через автоматические выключатели типа ВАБ.
Тяговые подстанции комплектуются одиночными АТП или группами по две или три АТП-500, работающими параллельно на общую нагрузку (секции троллейного провода). Общая мощность всех АТП в сети напряжением 6 кВ достигает 2000 кВА.
Научные исследования по качественному и количественному анализу состава высших гармонических составляющих токов и напряжений линий 6 кВ, питающих преобразовательные подстанции с неуправляемыми выпрямителями, выполнены преимущественно для шести- и двенадцати-фазных схем выпрямления прокатных станов и электролизных установок. Исследования высших гармонических в тяговых подстанциях шахт и рудников выполнялись в очень ограниченном количестве, поэтому экспериментальные данные по количественному и качественному составам высших гармонических в сетях 6 кВ для этих условий практически отсутствуют.
В настоящей работе выполнялись экспериментальные исследования уровней высших гармонических составляющих токов и напряжений в сети напряжением 6 кВ тяговых подстанций при различных режимах их работы (при нескольких значениях выпрямленного тока) с целью определения мероприятий по минимизации уровня гармоник.
Теоретический анализ вероятных уровней высших гармонических в преобразовательных установках [1 - 8] рекомендует определение качественного их состава проводить по выражению
у = к ■ р ± 1, (1)
гдер - число фаз преобразователя; к - целое число (1, 2, 3...).
Выражение (1) предполагает наличие высших гармонических канонического (у=3, 5, 7, 11.) и неканонического (у=2, 4, 6, 8, 10.) порядков в зависимости от режима и схемы работы, а также состояния вентилей преобразователя.
Для тяговой сети отсутствует математическое описание характера изменения тяговой нагрузки, поэтому качественные и количественные характеристики высших гармонических наиболее точно определяются на основании анализа экспериментальных данных в реальных сетях.
Рекомендации по способам измерения и приборам для измерения состава и уровня гармоник приведены в литературе [9 - 13].
Многие проектные, учебные и научно-исследовательские организации не имеют рекомендованного набора приборов соответствующего класса точности, да и перечень приборов высокого класса рекомендованных для измерений высших гармонических неудобен для измерений в сетях промышленных предприятий и особенно в шахтных сетях.
На кафедре ЭПП «СКГМИ (ГТУ)» в течение ряда лет проходит испытание специального блока активных фильтров БАФ-1 для выделения высших гармонических канонического порядка (у=3, 5, 7, 11, 13) и записи их в памяти осциллографа. Блок выполнен в переносном исполнении на Я -С-фильтрах. Экспериментальные исследования выполнялись с использованием БАФ-1 и проверкой коэффициента несинусоидальности по показаниям анализатора электропотребления ЛЯ-5.
Обоснование выбранного направления работы
Предложенная в работе методика анализа спектрального состава высших гармонических составляющих токов и напряжений в сети напряжением 6 кВ по результатам экспериментального их разделения с использованием специального фильтра высших гармонических типа БАФ -1 для выделения канонического ряда гармоник в сочетании с аналитическим разложением полной кривой тока и напряжения на высшие гармонические обеспечивает возможность учета вероятностного характера изменения тяговой нагрузки и влияния характера изменения этой нагрузки на величину и спектр высших гармонических в сетях напряжением 6 кВ.
Предложенный метод обеспечивает минимальные затраты средств и времени на выполнение анализа высших гармонических [14 - 20].
Методика исследований
В работе принята следующая методика исследования уровня и состава высших гармонических:
- анализ схемы сети и характеристик электрических приемников, подключенных к сети напряжением 6 кВ, с целью выявления возможных источников высших гармонических и характерных точек подключения анализаторов высших гармонических в сети 6 кВ;
- экспериментальные исследования токов и напряжений в характерных точках сети 6 кВ с целью выявления уровня и состава высших гармонических;
- анализ причин появления ненормальных уровней высших гармонических и выбор методов их минимизации.
Анализ приемников и электрической сети напряжением 6 кВ в целом для выявления источников высших гармонических
В рассматриваемой сети напряжением 6 кВ подстанции «Штольня Главная» рассматривались следующие основные источники высших гармонических: токи намагничивания силовых трансформаторов, тяговые преобразовательные подстанции, тиристорный управляемый привод шахтного подъема.
Уровни высших гармонических, генерируемых силовыми трансформаторами, не превышают 10 % от тока холостого хода и в рассматриваемой сети не могут вызвать недопустимого искажения кривой тока или напряжения в сети напряжением 6 кВ.
Тиристорный привод шахтного подъема мощностью не более 5 % от мощности трансформаторов 110/6 кВ при анализе уровней высших гармонических в сети 6 кВ не учитывался.
Основным источников высших гармонических в сети напряжением 6 кВ являются тяговые автоматизированные подстанции типа АТП-500 рудника.
Тяговая подстанция АТП-500 на 500 А выпрямленного тока при напряжении 275 В предназначена для питания контактной электровозной откатки на главной штольне и рабочих горизонтах.
АТП-500 имеет анодный трансформатор типа ТМ-180/6 со схемой соединения «звезда - треугольник» и блок выпрямления из кремниевых диодов ВКЛ-200, собранный по трехфазной мостовой схеме.
По выражению (1) для неуправляемой трехфазной мостовой схемы следует ожидать гармоники канонического ряда у=3 (150 Гц), у=5 (250 Гц), у=7 (350 Гц), у=11 (550 Гц). Уровни гармоник выше у=11 должны быть незначительными.
Гармоники неканонического порядка (кратные 2) при симметричной мостовой схеме выпрямляющего блока АТП полностью отсутствуют.
Пусковые токи электровозов (нагрузка АТП-500) обуславливают переходные процессы в системе «анодный трансформатор - преобразователь -тяговая сеть», однако переходной процесс в цепи, состоящей из большого активного сопротивления троллея и самого двигателя электровоза, будет
быстро затухать и значительного изменения уровня высших гармонических не должен вызывать.
В соответствии с выполненным анализом источников высших гармонических намечены три характерные точки экспериментального определения уровня высших гармонических в сети напряжением 6 кВ:
точка 1 - шины 6 кВ подстанции «Штольня Главная»;
точка 2 - шины 6 кВ тяговой подстанции №26 с тремя АТП-500, работающими на общую нагрузку;
точка 3 -шины 6 кВ тяговой подстанции №28 с тремя АТП-500, работающими на общую нагрузку (участок троллея штольни 2004 м).
Методика экспериментальных исследований высших гармонических
Методика экспериментальных исследований высших гармонических разработана с учетом особенностей измерений в условиях подземных выработок.
В процессе измерений необходимо получить:
- коэффициент несинусоидальности напряжения и тока для сравнения с нормативными значениями;
- состав и уровни высших гармонических в токах и напряжениях сети 6 кВ для разработки мероприятий по их минимизации.
Для выявления состава и уровня высших гармонических в токах и напряжениях сети 6 кВ предложен прибор типа БАФ-1.
Блок активных фильтров БАФ-1 (рис. 1) позволяет совместно с осциллографом выполнить одновременную запись кривых: полного тока или напряжения (по выбору), кривых у=1 (50 Гц) - первая гармоника, кривых у=3, 5, 7, 11 и 13, то есть третьей, пятой, седьмой, одиннадцатой и тринадцатой высших гармонических.
Для этой цели БАФ-1 имеет разделительный трансформатор с двумя обмотками: токовая - 80 витков проводом 1,8 мм, рассчитанная на протекание тока до 5 А; напряжения -800 витков проводом 0,15 мм, рассчитанная на 100 В. Вторичных обмоток на разделительном трансформаторе выполнено 7 - по 80 витков каждая.
Ко всем вторичным обмоткам разделительного трансформатора, кроме обмотки полного тока, подключены блоки активных фильтров через потенциометрические делители напряжения для регулирования амплитуды отклонения шлейфа осциллографа для каждой кривой высших гармоник.
На выходе из активного фильтра подключаются усилители мощности с обратной связью для подавления «сигнала» первой гармоники, прошедшей через активный фильтр высшей гармоники.
Применение активных ЯС-фильтров позволяет хорошо согласовывать входные сопротивления шлейфов осциллографа с выходным сопротивлением фильтра.
При необходимости записи и разложения кривой тока сети переключателем на передней панели включается токовая первичная обмотка разделительного трансформатора БАФ-1. Входные зажимы прибора подключаются к блоку добавочных шунтов осциллографа.
Добавочный шунт подключается ко вторичной обмотке трансформатора тока в исследуемой сети. В связи с тем, что сопротивление первичной токовой обмотки меньше 1 Ом то возможно подключение этой обмотки последовательно с рабочей нагрузкой трансформаторов тока (амперметры, реле, катушки счетчиков) без увеличения их погрешности.
При необходимости записи и разложения кривой напряжения прибор подключается ко вторичной обмотке трансформатора напряжения на напряжение 100 В. Переключатель БАФ-1 ставится в положение «напряжение».
Разделительный трансформатор
Ток
Напряжение
□а
□а
+
- Стабилизационный блок питания
Рис. 1. Схема подключения БАФ
БАФ-1 БУ
БАФ-3 « БУ и
БАФ-5 < БУ н
БАФ-7 < БУ
БАФ-11 < БУ и
БАФ-13 < БУ
Л «
ш
п
Э
Для контроля правильности разложения БАФ -1 кривой напряжения ко вторичной обмотке трансформатора напряжения параллельно БАФ -1 подключается анализатор электропотребления ЛК-5, который позволяет
определить величину коэффициента несинусоидальности напряжения в исследуемой сети.
Под коэффициентом несинусоидальности кнсу понимается отношение действующего значения всех гармоник к действующему значению напряжения первой гармоники:
k
kHC V
i
n о
Z UV
v=2
• 100, %. (2)
U1
Для подключения измерительных приборов и фильтров разложения кривых напряжения сети рекомендуется между фазой и землей включать емкость-индуктивный делитель. Такая схема исключает погрешности измерения за счет насыщения трансформаторов напряжения токами высших гармонических.
Для шахтных условий такая схема дает повышенную опасность для экспериментатора и требует громоздкой аппаратуры, транспортировка которой в шахтных условиях затруднительна. Кроме того, наличие в каждой высоковольтной ячейке трансформатора напряжения, работающего почти вхолостую, обеспечивает работу трансформатора напряжения совместно с БАФ-1 на прямолинейном участке кривой намагничивания, что уменьшает вероятность его насыщения от токов высших гармонических.
Обработка результатов измерений
В результате измерений с помощью осциллографа наносится кривая полного тока или напряжения и кривые первой 1, третьей, пятой, седьмой, одиннадцатой и тринадцатой гармонических составляющих полного тока или напряжения. Каждая кривая в зависимости от положения потенциомет-рического делителя и постоянной вибратора шлейфа осциллографа имеет свой масштаб. Масштаб для вычисления коэффициента несинусоидальности дается в % на 1 мм амплитуды кривой заданной гармоники.
Масштаб кривых устанавливается в лаборатории путем подачи на разделительный трансформатор калиброванного напряжения заданной гармоники.
Для проверки правильности разложения кривой тока и напряжения с использованием БАФ-1 производится аналитическое разложение кривой полного тока или кривой полного напряжения обычными математическими методами.
Результаты экспериментальных исследований
В соответствии с разработанной методикой измерений выполнены измерения следующих параметров:
- напряжения на шинах 6 кВ подстанции «Штольня Главная» 110/6
- тока трансформатора 110/6 кВ на подстанции «Штольня Главная»;
- напряжения на шинах напряжением 6 кВ анодного трансформатора ТМ-180/6 тяговой подстанции №26;
- тока в сети 6 кВ, питающей тяговую подстанцию №26 при работе одной из трех АТП-500, двух из трех АТП-500 и параллельной работе всех трех АТП-500;
- напряжения на шинах 6 кВ и тока в сети 6 кВ к АТП на тяговой подстанции №28.
Для записи кривых использовались следующие приборы: БАФ-1; осциллограф; набор шлейфов к осциллографу: кривая полного тока - основная (первая) гармоника - третья, пятая, седьмая гармоники - одиннадцатая гармоника - тринадцатая гармоника; вольтметр; анализатор электропотребления ЛК-5.
Анализ результатов экспериментальных исследований высших гармонических составляющих токов и напряжений у источников высших гармоник
Результаты анализа состава и уровня напряжения высших гармонических составляющих токов и напряжений на тяговых подстанциях №26 и №28 приведены в табл. 1.
Таблица 1
Уровни высших гармонических составляющих токов и напряжений
на АТП
№ п/п Место измерения и параметры кривых Уровни высших гармонических к по БАФ-1 к по ЛЯ-5
1-я 3-я 5-я 7-я 11-я 13-я
мм % мм % мм % мм % мм % мм %
1 Подстанция 26, кривые напряжения 41 100 8 0,696 7 0,77 5 1,48 1,5 0,081 - - 2,349 2,6
2 Подстанция 26, кривые тока АТП-227 20 100 15 17,85 31 7,533 9 3,803 2 2,38 - - 19,42 -
3 Подстанция 26, кривые тока АТП-2 27 100 19 16,72 39 8,424 12 3,144 2 1,72 - - 19,06 -
4 Подстанция 28, кривые напряжения 43 100 7 0,973 6 1,088 5 2,267 - - - - 2,69 3,2
5 Подстанция 28, кривые тока АТП-3 57 100 29 7,192 60 4,56 13 2,496 2 1,6 - - 9,01 -
6 Подстанция 26, кривые тока АТП- 2,3 12 100 6 7,08 11 3,96 3 2,76 1 2,4 - - 8,9 -
В табл. 1 приведены также результаты измерения коэффициента несинусоидальности напряжения на стороне 6 кВ при помощи анализатора электропотребления типа АК-5.
Для удобства анализа уровни высших гармонических приведены в % от уровня первой гармоники, что облегчает вычисление коэффициента несинусоидальности и сравнение с нормами Международной электротехнической комиссии (МЭК) на допустимый уровень отдельных гармоник.
Допустимый уровень гармоник в напряжениях и токах определяется величиной коэффициента несинусоидальности по выражению
кнсvU
V
п 2 у=2
и
100> к
нс VI
п 2 х IV
v=2
■• 100 =
(3)
где иу„ /V - уровень напряжения и тока каждой из высших гармонических; и1, /1 - уровень первой гармоники.
По результатам измерений несинусоидальности кривой напряжения на подстанции № 26 величина кнсх,и составила: по результатам разложения БАФ-1 кнсуи = 2,349 %, по измерениям АК-5 кнсуи = 2,6 % (табл. 1), что значительно меньше допустимого по ГОСТу значения 5 %.
По результатам измерений несинусоидальности кривой тока на подстанции № 26 величина кнсу/ составила: по БАФ-1 кнсу/ = 19,42 % и по аналитическому разложению кривой тока кнсу/ = 20,1 %, что значительно выше допустимой величины по ГОСТу. В связи с тем, что БАФ-1 настроен только на высшие гармонические канонического порядка, а кривые тока на подстанциях № 26 и № 28 имеют несимметрию относительно оси абсцисс, дополнительно выполнено аналитическое разложение кривых токов и напряжений в ряд Фурье по общепринятой методике графоаналитического разложения.
Результаты аналитического разложения приведены в табл. 2.
Таблица 2
Результаты аналитического разложения кривых тока
Амплитуда и действующая величина
№ п/п Наименование кривой Число делений гармоник ф* град
№ А\ А' V Аv tgфv Л Лис
гармоник мм мм мм %
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
1 34,106 24,954 42,36 100 0,73 36,2
2 22,24 -20,657 30,353 71,82 -0,93 -42,9
Кривая тока на 3 6,577 -3,749 7,57 17,91 -0,57 -29,7 75,15/ 20,1
1 подстанции 24 4 3,958 0,505 3,99 9,44 0,13 7,3
№ 26 5 2,408 -2,736 3,646 8,62 1,14 48,7
6 -0,059 0,059 0,083 0,196 -1,0 -45
7 -0,228 0,92 0,95 2,28 -4,04 -76,1
1
Окончание табл. 2
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
1 79,696 12,35 80,643 100 0,155 8,8
2 -12,44 -19,139 22,827 28,3 1,539 236,98
Кривая тока на 3 1,86 5,74 6,034 7,5 3,086 72,05
2 подстанции 24 4 8,083 2,887 8,583 10,6 0,357 19,65 3 1,5/ Я QS
№ 28 5 0,315 -3,376 3,391 4,2 10,717 174,67 8,95
6 -0,059 0,53 0,533 0,6 8,98 276,35
7 1,932 0,679 2,048 2,5 0,35 19,36
В табл. 2 приведены следующие обозначения:
1 24 i 24
é = — • Z fp (x) • sin pvx; A = — • X fp (x) • eos pvx; 12 i 12
1
=4 (Av )2+(A')2; tgvv= éL; iHC = ip.
Рис. 2. Подстанция № 26. Ток АТП-2.
Масштабы разложения: т=3,84 %/мм; т3=0,88 %/мм; т5=0,216 %/мм;
тт=0,26 %/мм; тп=0,86 %/мм
При аналитическом разложении кривых рис. 2 и рис. 3 выделены неканонические высшие гармонические кратные двум (у=2, 4, 6), уровень которых на подстанции № 26 (кривая рис. 2) достигает 72 % от уровня 1-й гармоники и на подстанции № 28 (кривая рис. 3) - 28,3 % от уровня 1-й гармоники. Уровни неканонических гармоник (у=3, 5, 7) по результатам разложения прибором БАФ-1 (табл. 1) и по результатам аналитического разложения совпадают с ошибкой 5.6 %, а коэффициент несинусоидальности кривых тока по разложению прибором БАФ-1 на 5 % меньше, чем по результатам аналитического разложения с учетом только
гармоник канонического ряда. При учете гармоник неканонического ряда коэффициент несинусоидальности кривых тока возрастает примерно в 3,5 раза и достигает к^^ =75,15 для кривой рис. 2 и к^^ =31,52 для кривой рис. 3.
Рис. 3. Подстанция № 28. Ток АТП-3. Масштабы разложения: т=1,754 %/мм; т3=0,248 %/мм; т5=0,076 %/мм; т=0,192 %/мм; тп=0,8 %/мм
Анализ результатов разложения кривых тока на АТП показывает, что в мостовой схеме АТП наблюдается значительная несимметрия полупроводникового моста, которая приводит к несимметрии тока в сети и появлению неканонических гармоник.
Анализ возможных причин несимметрии мостовой схемы АТП позволяет указать на следующие возможные источники несимметрии:
а) отдельные полупроводниковые вентили моста на предприятии и особенно после ремонта на руднике не подбираются по равенству основных параметров;
б) в плечах моста работает разное количество исправных вентилей;
в) шунтирующие сопротивления и емкости вентилей не проверяются ни перед установкой, ни в процессе эксплуатации.
С целью устранения возможных причин несимметрии мостовой схемы АТП предлагается выполнять профилактические и предпусковые проверки мостовой схемы АТП силами энергослужбы рудника по разработанной методике.
Анализ результатов экспериментальных исследований высших гармонических на главной подстанции напряжением 110/6 кВ
«Штольня Главная»
Результаты экспериментального исследования высших гармоничес -ких в токах и напряжениях на подстанции «Штольня Главная» приведены в табл. 3.
Таблица 3
Уровни высших гармонических составляющих токов и напряжений _на подстанции «Штольня Главная»_
№ п/п Место измерения и параметры кривых Уровни высших гармонических кн^ по БАФ-1 к по ЛЯ-5
1-я 3-я 5-я 7-я 11-я 13-я
мм % мм % мм % мм % мм % мм %
1 Напряжение на Т-62 26,5 100 3 0,33 - - 1,2 0,132 - - - - 0,355 -
2 Ток ввода Т-62 28 100 5 2,5 - - 1,2 0,132 - - - - 2,77 -
3 Ток фидера 646 37 100 7 1,96 2,5 0,21 1,2 0,32 - - - - 2 -
Кривая напряжения имеет коэффициент несинусоидальности кнсуи = 0,355 % с преобладанием 3-й и 7-й гармоник.
Кривая тока трансформатора Т-62 имеет коэффициент несинусоидальности &нсу/ =2,77 % и кривая тока фидера 646 кнсу/ =2 % с преобладанием 3-й и 7-й гармоник.
Коэффициенты несинусоидальности по напряжению и току на подстанции «Штольня Главная» не превышают нормированных значений по ГОСТу.
Уровни высших гармонических по рекомендациям МЭК
Кроме коэффициента несинусоидальности, рекомендуется определение уровня каждой гармоники. Уровни канонических гармоник по рекомендациям МЭК не должны превышать следующих значений, %: 0,9 -для 3-й гармоники; 0,4 - для 5-й; 0,3 - для 7-й; 0,2 - для 9-й; 0,1 - для гармоник порядка 11 и выше.
Анализ результатов разложения кривых напряжения на трех подстанциях показывает, что на трансформаторе Т-62 («Штольня Главная») уровень 3-й гармоники не превышает рекомендации МЭК.
На подстанциях № 26 и № 28 уровни 3-й гармоники удовлетворяют требованиям МЭК, а уровни 5-й и 7-й гармоник значительно превышают требования МЭК, хотя коэффициенты несинусоидальности значительно ниже нормируемых по ГОСТу значений.
5-я и 7-я гармоники являются характерными для трехфазной мостовой схемы, поэтому их уровень можно снизить только за счет применения специальных силовых резонансных фильтров, настроенных на 5-ю и 7-ю гармоники.
Высокая стоимость силовых фильтров и трудность резонансной настройки определяют необходимость их установки при значительном превышении кнс по напряжению допустимого по ГОСТу значения в 5 %.
В условиях рассматриваемого рудника кривые напряжений на подстанции «Штольня Главная» содержат 7 -ю гармонику с уровнем, соответствующим норме МЭК, а кривые тока Т-62 и тока фидера 646 содержат 7-ю гармонику выше уровня. Поэтому при использовании схем импульсно-фазного регулирования (управления) обязательна проверка этих схем на возможность резонанса в выбранной схеме на частоте 350 Гц (7 -я гармоника). Установка силовых фильтров для минимизации гармоник не требуется.
Заключение
В результате проведения экспериментов установлены основные источники высших гармонических и определены уровни гармоник, генерируемые этими источниками в сеть напряжением 6 кВ, необходимые для контроля качества напряжения по ГОСТу.
Установлено, что коэффициент несинусоидальности по напряжению как у источников, так и на головной подстанции «Штольня Главная» не превышает допустимой величины 5 %. В то же время уровни 5-й и сообенно 7-й гармоник в токах превышают уровни этих гармоник, допустимые по рекомендациям МЭК, поэтому при установке на рудниках и карьере систем импульсно-фазного регулирования необходима поверка схем на условия резонанса для 5-й и 7-й гармоник.
Для уменьшения уровней неканонических гармоник разработана инструкция для предпусковой и послеремонтной поверки мостовой схемы АТП на несимметрию.
Разработана методика измерения уровней высших гармонических и определения коэффициента несинусоидальности кривых токов и напряже -ния по результатам их разложения с использованием прибора БАФ -1, разработанного кафедрой ЭПП «СКГМИ (ГТУ)».
Выполненные исследования позволяют утсановить соответствие сетей напряжением 6 кВ требованиям ГОСТа по качеству напряжения и обеспечить контроль качества напряжения в процессе эксплуатации. Разработанная инструкция по проверке несимметрии в цепях АТП позволит увеличить долговесность работы мостовых схем АТП за счет устранения их перегрузки и надежность работы АТП.
Выявление преобладающих в сети уровней 5-й и 7-й высших гармоник позволяет обеспечить отстройку схем импульсно-фазного управления от влияния этих гармоник.
Список литературы
1.Mahela O.P., Shaik A.G. Power quality improvement in distribution network using DSTATCOM with battery energy storage system // International Journal of Electrical Power & Energy Systems 83. 2016. P. 229-240.
2. Guidelines for the technical assessment of harmonic, flicker and unbalance emission limits for PV-distributed generation / J.C. Hernández [et al.] // Electric Power Systems Research 81. 2011. P. 1247-1257.
3. Modeling and investigation of harmonic losses in optimal power flow and power system locational marginal pricing / H. Norouzi [et al.] // Energy 68. 2014. P. 140-147.
4. Bhonsle D.C., Kelkar R.B. Analyzing power quality issues in electric arc furnace by modeling // Energy 115. 2016. P. 830-839.
5. Three-phase grid voltage synchronization using sinusoidal amplitude integrator in synchronous reference frame / X. Du [et al.] // International Journal of Electrical Power & Energy Systems 64. 2015. P. 861-872.
6. Morsi W.G., El-Hawary M.E. Selection of suitable fuzzy operators for representative power factor evaluation in non-sinusoidal situations // Electric Power Systems Research 81. 2011. P. 1381-1387.
7. Kaczmarek M. A practical approach to evaluation of accuracy of inductive current transformer for transformation of distorted current higher harmonics // Electric Power Systems Research 119. 2015. P. 258-265.
8. Boudebbouz O., Boukadoum A., Leulmi S. Effective apparent power definition based on sequence components for non-sinusoidal electric power quantities // Electric Power Systems Research 117. 2014. P. 210-218.
9. Анализ состояния изоляции электрооборудования горнометаллургических комбинатов / Р.В. Клюев, И.И. Босиков, О.А. Гаврина, К.С. Крысанов // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2020. Вып. 2. С. 201-215.
10. Разработка методики обеспечения электробезопасности электрических сетей карьеров / Р.В. Клюев, В.И. Голик, И.И. Босиков, О.А. Гаврина // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2020. Вып. 3. С. 74-91.
11. Статистический анализ повреждений в карьерной сети горно -металлургического комбината / Р.В. Клюев, И.И. Босиков, О.А. Гаврина, К.С. Крысанов // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2021. Вып. 1. С. 168-178.
12. The provision of development conversion perspectives into undeground one for Russian iron ore deposits development / V.I. Golik [et al.] // The Social Sciences (Pakistan). 2016. Т. 11. № 18. P. 4348-4351.
13. Plieva M. T., Gavrina O. A., Kabisov A. A. Analysis of technological damage at 110 kV substations in JSC IDGC of the North Caucasus- «Sevkav-kazenergo» Int. Multi-Conf. on Industrial Engineering and Modern Technologies
(FarEastCon) (Vladivostok) Inspec Accession Number 19229305. 2019. DOI: 10.1109/FarEastCon.2019.8934076.
14. Klyuev R. V., Bosikov I. I., Gavrina O. A. Use of wind power stations for energy supply to consumers in mountain territories Proceedings International Ural Conference on Electrical Power Engineering (UralCon) INSPEC Accession Number 19080062. 2019. DOI: 10.1109/URALC0N.2019.8877674.
15. Васильев П.В., Стась Г.В., Смирнова Е.В. Оценка риска травматизма при добыче полезных ископаемых // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2016. Вып. 2. С. 45-58.
16. К концепции одностадийной выемки запасов металлических месторождений / В.И. Голик, Ю.И. Разоренов, Ю.В. Дмитрак, В.Б. Заалишвили // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2020. Вып. 4. С. 151-167.
17. Инновационные технологии на предприятиях урановой отрасли / В.И. Голик, Ю.В. Дмитрак, О.З. Габараев, Х.Х. Кожиев // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2020. Вып. 3. С. 131 -140.
18. Учет влияния ситуационных геомеханических условий для совершенствования дегазации подрабатываемого массива горных пород / В.С. Бригида, В.И. Голик, Ю.В. Дмитрак, О.З. Габараев // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2019. Вып. 2. С. 279 -288.
19. Agrawal S., Mohanty S.R., Agarwal V. Harmonics and inter harmonics estimation of DFIG based standalone wind power system by parametric techniques // International Journal of Electrical Power & Energy Systems 67. 2015. P. 52-65.
20. Bayliss C.R., Hardy B.J. Chapter 24 - Power Quality - Harmonics in Power Systems // Transmission and Distribution Electrical Engineering (Fourth Edition). 2012. P. 987-1012.
Клюев Роман Владимирович, д-р техн. наук, проф., kluev-roman@rambler.ru, Россия, Москва, Московский политехнический университет,
Фоменко Ольга Александровна, канд. философ. наук, доц., kluev-roman@rambler. ru, Россия, Геленджик, филиал Южного Федерального университета,
Босиков Игорь Иванович, канд. техн. наук, доц., igor.boss. 777@mail.ru, Россия, Владикавказ, Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет),
Гаврина Оксана Александровна, канд. техн. наук, доц., Gavrina-Oksana@yandex. ru, Россия, Владикавказ, Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет)
RESEARCH OF ELECTRIC POWER QUALITY OF TRACTION SUBSTATIONS OF A HIGH
MOUNTAIN MINER
R. V. Klyuev, O.A. Fomenko, I.I. Bosikov, O.A. Gavrina
The paper presents a methodology for researching the levels of higher harmonic in networks with a voltage of 6 kV and developed measures to eliminate harmonics of the non-canonical series. According to the results of the research, it was found that the sources of higher harmonic ones are the ATP-500 traction substations, connected to the 6 kV network in groups and alone. In the 6 kV network, the 3rd, 5th, 7th and 11th harmonics of the canonical series, as well as the 3rd, 4th, 6th and 8th harmonics of the non-canonical series, are distinguished, the levels of which significantly exceed the permissible levels according to GOST. The presence of non-canonical harmonics is caused by the asymmetry of the bridge circuit (current asymmetry relative to the abscissa axis). An instruction has been developed for the pre-start check of the bridge circuit gates to eliminate asymmetry. The prevalence of 5 and 7 higher harmonics in the 6 kV network was established and it was recommended to take into account the possibility of resonance phenomena in the pulse-phase control circuits of electric drives connected to the 6 kV network of the mine and open pit. The implementation of the recommendations set forth in the work increases the reliability of the bridge circuits of traction substations and eliminates the possibility of the appearance of non-canonical harmonics, which improves the voltage quality in accordance with the requirements of GOST.
Key words: higher harmonic, mine, voltage, current, canonical series, traction substation, power quality.
Klyuev Roman Vladimirovich, doctor of technical sciences, professor, kluev-roman@rambler. ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,
Fomenko Olga Alexandrovna, candidate of philosophy sciences, docent, kluev-roman@rambler. ru, Russia, Gelendzhik, branch of the Southern Federal University,
Bosikov Igor Ivanovich, candidate of technical sciences, docent, igor.boss. 777@mail.ru, Russia, Vladikavkaz, North Caucasian Institute of Mining and Metallurgy (State Technological University),
Gavrina Oksana Alexandrovna, candidate of technical sciences, docent, Gavrina-Oksana@yandex. ru, Russia, Vladikavkaz, North Caucasian Institute of Mining and Metallurgy (State Technological University)
Reference
1. Makhela O.P., Shaik A.G. Improving the quality of electricity in the distribution network using DSTATCOM with a battery energy storage system// International Journal of Electric Power Engineering and Energy Systems 83. 2016. pp.229-240.
2. Guide to the technical assessment of the limits of harmonic, flickering and nonequi-librium emissions for distributed PV generation / J. C. Hernandez [and others]// Research of electric power systems 81. 2011. P. 1247-1257.
3. Modeling and investigation of harmonic losses in the optimal flow of electricity and marginal pricing for the location of the power system / H. Noruzi [and others]// Energy 68. 2014. pp.140-147.
4. Bhonsle D.K., Kelkar R.B. Analysis of problems of electric power quality in an electric arc furnace by modeling// Energy 115.2016. p.830-839.
5. Synchronization of three-phase mains voltage using a sinusoidal amplitude integrator in a synchronous reference frame / X.Du [and others]// International Journal of Electric Power Engineering and Energy Systems 64.2015. pp.861-872.
6. Morsi, W. G., El-Hawari, M. E. the selection of the appropriate fuzzy operators for a representative assessment of the power factor in nonsinusoidal situations// the Study of electric power systems 81.2011. Pp. 1381-1387.
7. Kaczmarek M. a Practical approach to the assessment of the accuracy of the inductive current transformer to convert the higher harmonics of the distorted current Research electric power systems 119.2015. Pp. 258-265.
8. Budebbuz O., Bukadum A., Leulmi S. Effective determination of apparent power based on sequence components for non-sinusoidal quantities of electricity// Research of electric power systems 117.2014. pp.210-218.
9. Analysis of the state of insulation of electrical equipment of mining and metallurgical plants / R.V. Klyuev, I.I. Bosikov, O.A. Gavrina, K.S. Krysanov // Izvestiya Tula State University. Earth sciences. 2020. Issue. 2. pp. 201-215.
10. Development of methods for ensuring electrical safety of electrical networks of quarries / R.V. Klyuev, V.I. Golik, I.I. Bosikov, O.A. Gavrina // Proceedings of Tula State University. Earth sciences. 2020. Issue 3. pp. 74-91.
11. Statistical analysis of damages in the quarry network of the mining and metallurgical combine / R.V. Klyuev, I.I. Bosikov, O.A. Gavrina, K.S. Krysanov // Izvestiya Tula State University. Earth sciences. 2021. Issue 1. pp. 168-178.
12. Providing prospects for the transformation of mining into underground mining for the development of Russian iron ore deposits / V.I. Golik [et al.] // Social Sciences (Pakistan). 2016. Vol.11. No. 18. pp.4348-4351.
13. Plieva M.T., Gavrina O.A., Kabisov A.A. Analysis of technological damages at 110 kV substations in JSC IDGC of the North Caucasus - JSC Sevkavkazenergo. Multiconference on Industrial Engineering and Modern Technologies (Fareastcon) (Vladivostok), Registration number 19229305.2019. DOI: 10.1109/FAREASTCON.2019.8934076.
14. Klyuev V. R., Bosikov I. I. Gavrila O. A. the Use of wind power for energy consumers in the mountainous areas of Materials of the International Ural conference on electrical power (Uralkon), Registration number 19080062.2019. DOI: 10.1109/URALKON.2019.8877674.
15. Vasiliev V. P., Stas G. V., Smirnova E. V. risk Assessment herbs-external dogmatism in mining // Izvestiya of the Tula state University. Earth sciences. 2016. Issue. 2. pp. 4558.
16. To the concept of one-stage extraction of reserves of metal deposits / V.I. Golik, Yu.I. Razorenov, Yu.V. Dmitrak, V.B. Zaalishvili // Izvestiya Tula State University. Earth sciences. 2020. Issue 4. pp. 151-167.
17. Innovative technologies at the enterprises of the uranium industry / V.I. Golik, Yu.V. Dmitrak, O.Z. Gabaraev, H.H. Kojiev // Izvestiya Tula State University. Earth sciences. 2020. Issue 3. pp. 131-140.
18. Taking into account the influence of situational geomechanical conditions for improving the degassing of a part-time rock mass / V.S. Brigida, V.I. Golik, Yu.V. Dmitrak, O.Z. Gabaraev // Izvestiya Tula State University. Earth sciences. 2019. Issue. 2. pp. 279-288.
19. Agrawal S., Mohanty S.R., Agarwal V. Evaluation of harmonics and mutual harmonics of an autonomous wind energy system based on DFIG using parametric methods// International Journal of Electric Power and Energy Systems 67.2015. pp.52-65.
20. Bayliss S.R., Hardy B.J. Chapter 24 - The quality of electricity - Harmonics in power systems // Electrical transmission and distribution (Fourth edition). 2012. pp.987-1012.
УДК 622.831 DOI 10.46689/2218-5194-2021-4-1-416-424
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОТРАБОТКИ ЗАПАСОВ ВЫБРОСООПАСНОГО ПЛАСТА КР11 В УСЛОВИЯХ
РУДНИКА «ЕВРОХИМ-УКК»
А.П. Ключарев, Н.А. Литвиновская
Представлены результаты исследований авторов по построению прогнозной карты с разделением выбросоопасного калийного пласта КрП на опасные и неопасные участки в условиях шахтного поля рудника «ЕвроХим-УКК». Установлено, что решающие правила, разработанные для остальных рудников Верхнекамского месторождения, принципиально не подходят для рассматриваемого участка и требуют доработки. Предложены варианты доработки решающего правила. Приведены рекомендации по безопасному ведению горных работ, предусматривающие изменение существующей технологии.
Ключевые слова: газодинимические явления, калийный пласт, Верхнекамское месторождение калийно-магниевых солей, решающие правила, прогнозная карта выбросо-опасности.
Проблема газодинамических явлений (ГДЯ) как проблема безопасности ведения горных работ не вызывает сомнений. Серьезность этого вопроса подробно описана в ряде книг и статей [1 - 4], причем данный вопрос актуален для месторождений многих полезных ископаемых, в том числе и для калийных солей. Серьезность этой проблемы отражена также в ряде нормативных документов [5 - 8], обязательных для ведения горных работ.
Данная проблема актуальна также и для рудника «ЕвроХим-УКК». С момента ввода рудника в эксплуатацию начали проявляться газодинамические явления. При этом стоит отметить, что соблюдение всех мер, по предотвращению газодинамических явлений, хоть и является обязательной частью горных работ, однако несет в себе определенные экономические затраты. Один из способов снижения затрат предприятия заключается в разделении шахтного поля на опасные и неопасные участки где по-разному реализуются меры предотвращения ГДЯ.
Целью исследования является анализ проявления ГДЯ в условиях рудника «ЕвроХим - Усольский калийный комбинат» с выявлением возможности построения прогнозных карт ГДЯ на сильвинитовом пласте Кр11.
Проведя анализ случаев проявления газодинамических явлений по актам расследования происшествий, за один только 2018 год (табл. 1)
