Коммутационные перенапряжения в системе электроснабжения руднотермических печей при производстве кристаллического кремния Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Ш Энергетика

ergy__

М.А.Новожилов, А.Е.Шишкин

Коммутационные перенапряжения в системе электроснабжения руднотермических печей при производстве кристаллического кремния

Постановка задачи

Атмосферные и внутренние перенапряжения в распределительных сетях систем электроснабжения (СЭ) промышленных предприятий являются причинами повреждений электрооборудования и связанных с их устранением значительными трудовыми и материальными затратами на его замену и ремонт, снижением технико-экономических показателей электроустановок.

Задачей работы является изучение перенапряжений в СЭ руднотермических печей (РТП) завода кристаллического кремния ЗАО «Кремний», где в течение последних 10 лет произошло более 7 крупных аварий в системе электроснабжения основного производства. В результате аварий повреждено полностью или частично (с необходимостью проведения капитального ремонта) такое высоковольтное оборудование, как силовой трансформатор мощностью 80 МВА, высоковольтные выключатели, ограничители перенапряжений, опорные изоляторы, кабельные линии и т. д.

Из проведенного анализа аварийных событий [5] следует, что большинство аварий так или иначе связано с перенапряжением, возникающим в СЭ при различных плановых или аварийных коммутациях. Существующая распределительная сеть 10 кВ с изолированной нейтралью содержит реактивные элементы (трансформаторы, реакторы, индуктивная нагрузка РТП, компенсирующие устройства, емкости кабелей и т. д.), что способствует перенапряжению в сети при коммутациях, а также возникновению резонансных явлений на частотах, зависящих от конфигурации сети.

Появление перенапряжения в сети вызывается также режимом работы РТП, где возможно появление эксплуатационных коротких замыканий, особенно в период запуска печи.

В настоящее время для изучения физических процессов, приводящих к перенапряжению в сетях 6-35 кВ, в основном, применяются статистические методы, связанные с автоматической регистрацией перенапряжения в эксплуатируемых сетях, проведением специальных опытов на действующем оборудовании, а также аналитические методы при весьма существенном упрощении свойств сети [2, 3, 4, 7].

Менее трудоемким, но в то же время точным и наглядным методом исследования перенапряжения в электрических сетях является математическое моделирование, позволяющее не только выполнять анализ

причин перенапряжения в действующих электроустановках, но и предсказывать возможность их появления на этапе проектирования и текущей эксплуатации. Удобным средством при изучении перенапряжения является система МАМВ и ее подсистема БНУИШС, в составе которой имеются модели практически всех элементов СЭ (трансформаторы, АЭП, ограничители перенапряжения (ОПН), выключатели и т.д.) [1].

Моделирование схемы исследуемой электрической системы заключается в перетаскивании изображения (иконки) элементов СЭ из библиотеки на рабочее поле, задании настраиваемых параметров элементов и соединении выходов и входов элементов согласно принципиальной схеме исследуемой системы. К схеме модели системы подключаются измерительные, преобразовательные, регистрирующие блоки. К их числу относятся измерители мгновенных и среднеквадратичных значений напряжений и токов, активной, реактивной и полной мощности, фильтры, Фурье-анализ, преобразователи координат, осциллографы, плоттеры и многие другие средства.

Для анализа причин возникновения перенапряжения в СЭ необходимо рассмотреть множество возможных коммутаций (плановых и аварийных) и возмущений при различных вариантах топологии сети.

Возмущения и коммутации, вызывающие перенапряжения, условно можно разделить на два основных вида:

симметричные (включение и отключение печи, включение и отключение конденсаторных батарей и

др.);

несимметричные (несимметричные короткие замыкания, в том числе двойное замыкание на землю, неодновременное срабатывание выключателя по фазам, повторное зажигание дуги при коммутации вакуумными выключателями малых индуктивных токов и т. А).

В настоящей работе рассмотрены только симметричные возмущения и коммутации, что позволило выполнять расчеты на однолинейной модели СЭ. Рассмотрены следующие виды коммутаций:

Включение печи. Электрическая схема замещения РТП представляет собой активно-индуктивное сопротивление. Поэтому включение печи эквивалентно включению катушки индуктивности на синусоидальное напряжение. Если включение катушки произошло в

Энергетика

момент времени, когда принужденная составляющая переходного напряжения равна нулю, то свободная составляющая не возникает. Иначе говоря, в этом случае переходный процесс отсутствует и в цепи с первого момента после включения наступает установившийся режим. Наибольшее значение свободного напряжения в начальный момент времени может быть равно амплитуде установившегося напряжения [6].

Отключение печи. При размыкании электрической цепи с катушкой индуктивности в момент разрыва цепи напряжение между расходящимися контактами выключателя резко увеличивается от нуля до II + ц, где щ - напряжение индуктивности. Скорость изменения тока в момент разрыва цепи большая [сИ/Ж —> со), поэтому значение напряжения на индуктивности и, = Ь(сИ/Ж) также может быть весьма большим. Воздушный промежуток между контактами пробивается и образуется дуга. Таким образом, ток в цепи сохраняется некоторое время после начала расхождения контактов. В некоторых случаях напряжение может достигать значений, опасных для изоляции. Значительного повышения напряжения можно избежать, если одновременно с отключением катушки от источника замкнуть ее на разрядное сопротивление.

Включение конденсаторной батареи, Конденсаторная батарея представляет собой активно-емкостное сопротивление, поэтому ее включение эквивалентно включению конденсатора. В зависимости от момента включения конденсатора относительно фазы

напряжения сети в предельных случаях переходный процесс либо не возникает (свободная составляющая напряжения равна нулю), либо напряжение на емкости стремится к удвоенному значению амплитуды входного напряжения [6],

Резкопеременная нагрузка. Одной из возможных причин возникновения перенапряжения в СЭ завода кристаллического кремния является резкопеременная нагрузка руднотермических печей, которая при определенных условиях (коммутация печи, конденсаторных батарей и т. д.) может способствовать нарастанию уже существующего перенапряжения.

Разработка математической модели

Упрощенная принципиальная схема СЭ, моделирование которой осуществлялось в системе МАНАВ, приведена на рис, 1.

Питание РТП осуществляется по кабельным линиям от трансформатора ТРДН 80000 кВА напряжением 110/10 кВ и группы печных трансформаторов ЭОЦН и ЭОЦИК напряжением 10000/204 В мощностью от 5500 до 8333 кВА.

Модель системы в однолинейном исполнении представлена на рис. 2.

В схеме на рис. 2 печные трансформаторы и РТП, кабельные линии, конденсаторные батареи, представлены в виде подсистем, схемы которых приведены соответственно на рис. 3, 4 и 5.

ПГВ-110/10 кВ

Аналогично к РТП-4, РТП-5

Рис, 1. Принципиальная схема электроснабжения руднотермических печей завода ЗАО «Кремний»

Г&Ъ Энергетика

каг»

Т

ТРДН-80 Ы 110/10 кВ

^ ъ. ¿1

ВА

(Л/) Система

КБ1 КБ2 КБЗ

1п 1 0ш1

•о-

-и*

х

ААШВ-10 1(3x185)4-4(3x150), 250 м КБ4

КБ5

ЗсореЗ

1п1 0Ш1

АпвВНг-10 6(1x500). 160 м

1п1 0*1

ААШВ-10 2(Зх185)»-АСБ-10 2(3x120), 660 н + + ААШВ-10 6(3x120), 600 м

1п1

1п1 ОиМ 1п1

г. РТП-5

—у

1п1

к РТП-6

1п1

к РТП-2

Рис. 2. Модель системы

Рис. 3. Модель питания печи от печного трансформатора (подсистемы "к РТП2", "к РТП4", "к РТП5", "к РТП6"

О

1п1

к

-и:

-►с

-к:

> > у*

■XX)

ОиН

Рис. 4. Модель кабельной линии ААШВ-10 1(3х185)+4(3к150)

Рис. 5. Модель конденсаторной батареи КВ4

Ш Энергетика

Кабельные линии моделировались как линии с распределенными параметрами, конденсаторные батареи - с активно- емкостной нагрузкой, а печи - с активно-индуктивной нагрузкой,

Результаты моделирования

Перечисленные выше коммутационные действия в СЭ производились в такие моменты времени относительно начала синусоиды напряжения, чтобы вызвать максимальное перенапряжение [6].

Включение печи совместно с конденсаторными батареями. Коммутация выполнялась одновременным включением выключателей ВЗ и В4 (см, рис, 1) при переходе синусоиды питающего напряжения через максимум.

Из осциллограмм на рис. 6, 7 видно, что при включении печи совместно с конденсаторными батареями возникают перенапряжения на высокой стороне печного трансформатора и на самой печи, мгновенные значения которых равны соответственно 21,8 кВ и 458 В, Кроме того, наблюдается наложение высших гармонических составляющих - гармоника №8 (400 Гц) и гармоника №100 (5000 Гц).

Включение печи без конденсаторных батарей.

Коммутация выполнялась включением выключателя В4 при выключенном выключателе ВЗ в момент перехода синусоиды напряжения источника через максимум,

Из осциллограмм, приведенных на рис. 7, а, б, следует, что на высокой стороне печного трансформатора и на самой печи возникают перенапряжения, мгновенные значения которых равны соответственно 29,93 кВ и 603 В. Переходный процесс сопровождается наложением гармонической составляющей №1600 (80 кГц).

Отключение печи. Коммутация выполнялась отключением выключателя В4 при выключенном выключателе ВЗ,

При отключении печи выключателем, установленным непосредственно у РТП, возникает перенапряжение на высокой стороне печного трансформатора, мгновенное значение которого составляет 140 кВ, Перенапряжения такой кратности вызваны коммутацией при некорректных условиях. Развернутое изображение осциллограммы 8, а см. на рис, 9.

Включение конденсаторной батареи. Коммутация выполнялась включением выключателя ВЗ в момент времени, когда синусоида напряжения источника проходит через максимум.

0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18

Рис. 6, Осциллограммы напряжения со стороны 10 кВ печного трансформатора, В (а) и напряжения на печи, В (6)

Рис. 7. Осциллограммы напряжения со стороны 10 кВ печного трансформатора, В (а) и напряжения на печи, В (6)

Ш Энергетика

став__

При включении конденсаторных батарей возникают перенапряжения на высокой стороне печного трансформатора и на самой печи, мгновенные значения которых равны соответственно 29,28 кВ и 597 В. При переходном процессе происходит наложение высших гармонических составляющих - гармоники № 10000 (500кГц), 107 (5333 Гц), 8 (400 Гц), На рис. 11 изображена осциллограмма напряжения на конденсаторной батарее КБ4 в момент коммутации.

Из осциллограммы видно, что при включении конденсаторных батарей в момент времени, когда сину-

соида напряжения источника проходит через максимум, напряжение на ней возрастает до 22,93 кВ.

Моделирование случайного характера нагрузки

На рис, 12 изображена модель системы электроснабжения печи РТП-5 при случайном характере ее нагрузки. Модель представлена в трехфазном исполнении.

Блок «к РТП-5» является подсистемой, вид которой изображен на рис. 13.

Рис. 10. Осциллограммы напряжения со стороны 10 кВ печного трансформатора, В (а) и напряжения на печи, В (6)

0.0227

Рис. 9. Осциллограмма напряжения

0 0227 0.0227 0.0227

со стороны 10 кВ печного трансформатора в развернутом виде, В

Нагрузка печи моделировалась в виде постоянной и накладываемой на нее случайной составляющих с 10-процентным среднеквадратичным отклонением, что в целом отражает работу РТП в установившемся режиме.

Составляющая случайной нагрузки моделировалась добавочным активно-индуктивным сопротивлением, соединенным последовательно с основной нагрузкой. Это сопротивление шунтируется трехфазным управляемым выключателем, изображенным на рис.

13. Шунтирующий выключатель в свою очередь имеет внешнее управление.

Случайный сигнал управления выключателем формируется с помощью генератора случайных сигналов (ГСС), компаратора и нелинейных элементов, Схема преобразует случайный сигнал по величине от ГСС в случайный сигнал по продолжительности (см, рис. 14, 15), который управляет выключателем, Осциллограммы напряжения и тока на печи РТП-5 приведены на рис. 16.

Рис. 11. Напряжение на конденсаторной батарее КБ4 в момент ее коммутации, В

Рис. 12. Модель СЭС печи РТП-5

сг> сю-а>

М

х

ш

□

Осциллограф

Управляемый шунтирующий еыключатель

Добзгочное сопроти>ление

Конденсаторные батареи

Рис. 13. Модель случайного характера нагрузки

Рис. 14. Случайный сигнал по величине

Рис. 15. Выходной сигнал (случайный по продолжительности)

Ш! Энергетика

ИМИ _

Рис, 16. Осциллограммы напряжения, В (а) и тока, А (6) на печи РТП-5

Результаты исследования возникновения перенапряжений

Причина возникновения перенапряжения Максимальное значение напряжения

Со сто эоны 10 кВ На печи

Пиковое значение, кВ Значение перенапряжения, % Пиковое значение, кВ Значение перенапряжения, %

Включение печи вместе с конденсаторными батареями 21,79 35 458 29

Включение печи без конденсаторных батарей 29,92 53 639 46

Отключение печи 140 90 - -

Включение конденсаторной батареи 29,37 52 597 45

Из рис. 16 видно, что случайный характер нагрузки напрямую влияет на напряжение и ток установки и поэтому, в зависимости от величины изменяемого добавочного сопротивления, происходит ухудшение качества электроэнергии сети, а возможно, и появление небольших перенапряжений, которые могут накладываться на коммутационные перенапряжения,

При вышеуказанных действиях над элементами системы происходит не только возникновение перенапряжений в цепи, но и резкое ухудшение качества электроэнергии сети и влияния на смежные участки схемы. Например, включение печи РТП-5 в момент времени, когда синусоида напряжения источника проходит через максимум, оказывает сильное воздействие на присоединенную к той же обмотке силового трансформатора ТРДН-80000/110 печь РТП-4.

На основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы:

1. Математическое моделирование системы электроснабжения с применением МАТ1АВ позволяет наглядно отобразить работу элементов систем, возникающие в них переходные процессы при коммутациях цепи и коротких замыканиях и с большой точностью дать оценку режиму работы системы.

2. Из рассмотренного в работе ограниченного числа коммутаций и состояний СЭ выявлены возмож-

ные причины возникновения перенапряжений в сети завода кристаллического кремния ЗАО «Кремний». Результаты расчетов сведены в таблицу.

3. Для окончательной оценки причин и условий возникновения перенапряжений следует расширить множество возможных видов коммутаций и состояний СЭ.

Библиографический список

1. Дьяконов В.П. MATLAB 6/6, 1/6.5 + Simulink 4/5, Основы применения. Полное руководство пользователя, - М,: 1 СОЮН-Пресс, 2002. - 768 с.

2. Евдокунин Г.А., Тимер Г, Современная вакуумная техника для сетей среднего напряжения. - СПб.: Изд-во «Терция», 2000.

3. Самойлович И. С, Защита от перенапряжений электроустановок открытых горных работ, - М.: «Недра», 1992.

4. Техника высоких напряжений I Под ред. Д.В.Резевига, -М„ 1963.

5. Анализ аварий в системе внутриплощадочного электроснабжения ЗАО «Кремний» и предварительные рекомендации по их предотвращению, Пояснительная записка ОАО «СибВАМИ», 2002.

6. Евдокимов Ф.Е. Теоретические основы электротехники. -М,: «Высшая школа», 2001,

7. Гиндуллин Ф.А., Гольдштейн ВТ,, Дульзон A.A., Халилов Ф,Х. Перенапряжения в сетях 6-35 kB, - М.: Энергоатом- ¡ издат, 1989. - 192 е.: ил,