CC BY
35
УДК 621.311 DOI 10.46689/2218-5194-2022-2-1-313-324
ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ ЗА СЧЕТ ПРИМЕНЕНИЯ АКТИВНОГО ФИЛЬТРА ГАРМОНИК
Р.В. Клюев, И.И. Босиков, О.А. Гаврина, В.И. Голик
Одним из важнейших направлений развития топливно-энергетического комплекса на современном этапе является решение задачи по повышению надёжности электрических сетей. Обозначенные задачи могут быть решены с помощью мероприятий, целью которых является повышение энергетической эффективности используемого оборудования и улучшение качества электрической энергии. Таким образом, выбор темы обусловлен возникновением большого числа неохваченных задач в области исследования помехоустойчивости оборудования. Исследование помехоустойчивости - это один из способов защиты и повышения энергетической эффективности электрических сетей и оборудования предприятий различных отраслей промышленности. Актуальность настоящей работы определяется как потребностями исследований в области изучения помехоустойчивости, так и многочисленными практически важными применениями полученных результатов, в частности, для разработки защиты и повышения энергетической эффективности электрооборудования и электрических сетей. Решаются задачи по улучшению электромагнитной обстановки, повышению энергоэффективности эксплуатируемого оборудования, улучшению качества электрической энергии через исследование явления помехоустойчивости, использованию полученных результатов для практического применения в организациях. Проводится краткий анализ электрохозяйства опасного производственного объекта на предмет помехоустойчивости, исследовании электромагнитного воздействия на режим работы технологического оборудования и сетей, поиске возможных решений по повышению помехоустойчивости оборудования и качества электрической энергии на предприятии. Показаны методы улучшения электромагнитной обстановки и повышения помехоустойчивости оборудования на промышленных предприятиях.
Ключевые слова: помехоустойчивость, качество электроэнергии, промышленное предприятие, преобразователь частоты, гармоника.
Введение. С целью решения поставленных задач по повышению качества электроэнергии на промышленных предприятиях необходимо провести анализ установленного энергетического оборудования для поиска возможных способов улучшения его работы и, как следствие, получение экономии электрической энергии и мощности [1, 2].
Так, основными потребителями электрической энергии на исследуемом опасном производственном объекте являются асинхронные электродвигатели технологических насосов и насосов пено-пожаротушения, сантехнических механизмов, электрообогрев трубопроводов и полов открытых насосных, электрическое освещение.
Объектом исследования в данной научно-технической разработке будет являться асинхронный электродвигатель, оснащенный частотным преобразователем (рис. 1, табл. 1).
Рис. 1. Преобразователи частоты ЛЕЕ, серия ЛС3800-07
Таблица 1
Характеристики преобразователя частоты
Номинальные характеристики Работа без перегрузки Работа с небольшой перегрузкой Работа в тяжелом режиме Уровень шума, дБА Рассеиваемая мощность, кВт Расход воздуха, м3/ч
!Шп! max A Imax A Pcont.max кВт Ь А PN кВт A Phd кВт
Ш=690 В (диапазон 525-690В). З номин начения номинальной мощности действительны при альном напряжении 690В.
445 775 450 426 400 387 355 72 8,45 1220
Анализ качества электрической энергии проводился в трансформаторной подстанции ТП-8 с помощью анализатора энергии Fluke. Данный анализатор используется для определения наличия/отсутствия гармоник в электрической сети, которые были установлены в трансформаторной подстанции на секции шин 0,4 кВ [3, 4].
Прибор был установлен на отходящих шинах силового трансформатора 0,4к В (рис. 2.). Во время проведения анализа качества электрической энергии в работе находился один частотный преобразователь мощностью 600 кВт.
РУ-10кВ на ТП-8
Секция № 1 Секция № 2
1б 1а 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1314 15 16 17 18 19 20 2а 2б
ГТТТТТТТЖ^ТТ тт
IUUUUU I IU I I
|СВ ор/
ГТТТТТТТ
1 i \ 1 1 1 1 \ 11
д д
Т-1
10/0,4 кВ
1 600кВа ^^ Секция №1
Секция №2 1600квА
В1 1 2 3 4 5 6 СВ 7 8 9 10 11 12 13 В2
Щ11111 I 1ЩЩ 1
Л Л А А А Л А /Т\Л\/К/К/К/|\/К/К/К
Т-2 Т-1 ,
0/0,4кВ 0/0,4кВ
600кВА
ТП-8 КТП-2
Секция №1 Секция №2
1 2 3 4 5 6 СВ 7 8 9 10 11 12 13
Т-2
10/0,4кВ 1600кВА
/|ч/|Ч/|\/|\/|\/[\/|Ч /|\/|\/|\/|\/|Ч/|\/|\/|\/|ч
Щ 0
Рис. 2. Электрическая схема трансформаторной подстанции
В результате проведенного анализа были обнаружены гармоники, в том числе 5-го и 7-го порядков (рис. 3).
Наличие гармоник 5-го и 7-го порядков характерно для работы 6 полюсных выпрямителей, входящих в состав преобразователей частоты.
Для расчета количества наличия гармоник необходимо произвести расчет коэффициента использования мощности [5 - 10].
Приближенный расчет коэффициента использования мощности: PF=v•cos(ф), где V - коэффициент гармоник:
1 . (1)
V'
y/(THD)2
+1
В период работы оборудования, значение ТОО составляло в среднем 0,62.
ТП-8 КТП-1
Рис. 3. Гармонические составляющие
Соответственно коэффициент гармоник будет
у- , 1 - 0,85.
(0,62)2 +1
Полученное значение V в процентном выражении составляет 15 % потерь электрической энергии от существующего положения.
Использование помехоподавляющих и защитных компонентов
Так, на обследуемом предприятии одним из способов, направленных на повышение помехоустойчивости электродвигателей является дооборудование преобразователей частоты (ПЧ) 0,4кВ электродвигателей активным фильтром гармоник (рис. 4).
Трансформатор
Я
Активный Нагрузка фнлыр
Рис. 4. Использование активного фильтра гармоник
Расчёты показывают, что в большинстве случаев, при электроснабжении преобразователя частоты, не оборудованного дополнительным фильтром гармоник [11 - 15], мощность питающего трансформатора должна быть увеличена не менее чем на 25%.
Соотношение мощности питающего трансформатора с мощностью преобразователя для выполнения требований ГОСТ:
для стороннего ПЧ (S/P)>33,
для ПЧ Danfoss без фильтра (S/P)>14,
для ПЧ Danfoss c фильтром AHF005 (s/p)>2,1, где P - активная мощность преобразователя частоты; S - мощность силового питающего трансформатор.
Допустимое отклонение формы тока от синусоидальной на территории РФ не определено. Однако в Европе, США и ряде других стран действует стандарт IEEE 519 (или его аналог) ограничивающий гармоники на уровне 5...10 %, что означает практически обязательное использование фильтров гармоник на больших мощностях для выполнения требований стандарта (рис. 5).
Рис. 5. Идеальная форма однофазного напряжения (амплитуда 170 В, среднеквадратичное (эффективное) значение 120 В, частота 60 Гц)
400 300 200 100 0
со
ф ^
X
1> *
& -100 с
-200 -300 -400
\ / ч Ч \ / /
\ /Фаза а \ / Фа; \/ ¡а Ь\ / Ф; \/ (за с\ / \ / \ 1 \ ;
Д 1 \ /\ / V А 1 \ : \
/ \ / \ 1 \ \ V ! \ 1 1 *
\ / \ 1 \ \ : \ ; \ 1 .. 1 ^ / \ / \ /
\ / у \ 1 ■, / V \ \ / \ /
г/ ■■ ! \ / А ' \ /■• / ■■ ! А А / \
/ V / \ \ - \ \ / \
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035
Время [с]
Рис. 6. Идеальная форма трехфазного напряжения на частоте 60 Гц
при линейном напряжении 480 В
Прерывание напряжения
Л П П
Провал напряжения
V \1
Выброс напряжения
Долговременные вариации напряжения
Импульсная помеха Осциллирующая помеха Гармонические искажения
Флуктуации напряжения
Шумы
Рис. 7. Типичные возмущения в сетях электропитания
Коэффициент полезного действия преобразователя частоты близок к 1 (>98 %), однако, это относится лишь к первой гармонике тока. Если не использовать дополнительные входные фильтры, cos ф (отношение активной мощности к полной) за счёт наличия высших гармоник в среднем равен 0,9, то есть в среднем нужно заложить дополнительные 10 % мощности и тока на реактивную составляющую. Например, для ПЧ без фильтра гармоник мощностью 800 кВт полный ток в питающих силовых кабельных линий увеличивается с 1267 до 1407А, реактивная мощность 100 кВАр. Типовая стоимость реактивной энергии потребленной сверхдопустимых 5,5 % составляет 1кВар=8 % от стоимости 1кВт.
Столь значительное увеличение питающего тока приводит к необходимости в соответствие с правилами устройства электроустановки закладывать питающие силовые кабели на одно сечение больше.
Использование фильтров улучшает cosф=0,98 и снижает величину питающего тока до номинального значения.
Ниже, приведены потери в силовом трансформаторе, предоставленные производителем Danfoss, исходя из линейной нагрузки. В соответствии с рекомендациями и расчетами IEEE наличие гармонического спектра тока приводит к увеличению потерь:
- для ПЧ без дросселя увеличение потерь трансформатора в 9,23 раза;
- для ПЧ VLT® увеличение потерь трансформатора в 2,66 раза;
- для ПЧ VLT® с фильтром увеличение потерь трансформатора в 1,15 раза.
Например, для трансформатора мощностью 1000 кВА (номинальные потери 12,3 кВт):
- для ПЧ VLT® дополнительные потери 20 кВт-ч.
Таким образом, использование активного фильтра гармоник обеспечивает снижение потерь электроэнергии в количестве 20 кВт-ч или 1226400 кВт-ч за срок службы (61320 ч.).
В денежном выражении снижение потерь электрической энергии за срок службы (~7 лет) от внедрения одного фильтра составит: (срок службы 61320ч) - (тариф 3,6 руб./кВт-ч) - 20 кВт-ч =4415040 руб.
Экономическая эффективность
В качестве фильтра предлагается использовать активный фильтр компании Danfoss, который разработан с учетом концепции энергосбережения:
- КПД превышает 96 %;
- энергосберегающий «спящий» режим;
- увеличение cosф;
- автоматическая оптимизация энергопотребления.
Использование фильтров позволяет соблюдать требования ГОСТа, что влечет за собой гарантию длительного срока службы оборудования и бесперебойной его работы (например, преобразователя частоты, силового трансформатора). Также, использование фильтров снижает количество реактивной мощности через улучшение cos ф ~ на 0,1 до 0,98. Кроме этого, активные фильтры гармоник позволяют снизить потери электрической энергии в силовых трансформаторах более чем в 10 раз. На сегодняшний день, стоимость одного фильтра c учетом строительно-монтажных и пуско-наладочных работ составляет 1200000,00 руб.
На объекте установлено 38 ПЧН 0,4 кВ [1]. Из них 31 ПЧН участвует в технологическом процессе. Схема электрическая терминала позволяет установить не для каждого ПЧН фильтр, а для секции шин, на которых расположены ПЧН. Таким образом, количество устанавливаемых активных фильтров гармоник составляет 18 шт. Общая стоимость приобретения фильтров составит 21600000 руб. Кроме этого, стоимость пуско-наладочных работ для 18 шт. активных фильтров гармоник составит 5400000 руб.
Итого: 21600000+5400000=27000000 руб.
В денежном выражении снижение потерь электрической энергии за срок службы (~7 лет) от внедрения фильтра составит: (срок службы 61320ч) - (тариф 3,6 руб./кВт-ч) - 20 кВт-ч=4415040 руб. или 4415040 руб./7 лет=630720 руб./год. От установки 18 фильтров снижение потерь электроэнергии составит 630 720 руб./год - 31 шт.=19552320 руб./год.
Для определения фактического снижения потерь электрической энергии по режиму работы оборудования необходимо в расчете применить коэффициент использования по мощности Кисп.мощ=0,3: 195523200,00-0,3= 5865696,00 руб./год [1].
Для определения фактического снижения потерь электрической энергии по времени работы оборудования необходимо применить коэффициент использования по времени Кисп.вр =0,8: 5865696-0,8=4694956,8 руб./год.
Окупаемость составит 27 000 000/4694956,8=5,7 лет.
1. Затраты на техническое обслуживание фильтров не включены по причине целесообразно провести опытно-промышленные испытания предлагаемого решения по повышению помехоустойчивости - внедрение активного фильтра гармоник.
2. На сегодняшний день, из-за широкого распространения источников питания, содержащих полупроводниковые элементы, гармонические искажения перестали быть местной или региональной проблемой, а стали глобальной проблемой почти во всех отраслях промышленности. Однако некоторые отрасли более подвержены возникновению гармонических помех по сравнению с другими сферами из-за условий энергоснабжения и чувствительности другого оборудования. Так как электрические сети ста-
новятся все более подверженными гармоническим искажениям, соблюдение рекомендаций по индивидуальным значениям гармоник теперь становится обязательными перед подключением к сети
3. Повышение помехоустойчивости способствует повышению качества электрической энергии.
4. На территории Российской Федерации внедрение фильтров практически отсутствует.
5. Экономия от внедрения 26 фильтров составит 8199360 руб./год. Окупаемость 3,8 лет. Но, для того, чтобы объективно и детально оценить экономический эффект от внедрения активного фильтра гармоник необходимо провести опытно-промышленные испытания.
Исследование помехоустойчивости и поиск защитных мероприятий от воздействия того, что они не значительны [1].
В качестве фильтра предлагается использовать активный фильтр компании Danfoss, который разработан с учетом концепции энергосбережения:
- КПД превышает 96 %;
- увеличение cosф;
- автоматическая оптимизация энергопотребления.
Выводы
Повышение помехоустойчивости оборудования является перспективным из-за быстрого развития и внедрения цифровых технологий и микропроцессорного оборудования.
Список литературы
1. Яковлев В. И., Шулика А. Ю. Исследование помехоэмиссии в эектрических сетях 10/0,4 кВ // Энергетик. 2020. № 9. С. 52-56.
2. 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. 2016. Vol. 83. Р. 229-240.
3. Modeling and investigation of harmonic losses in optimal power flow and power system locational marginal pricing / H. Norouzi, S. Abedi, R. Jamal-zadeh, M.G. Rad, S.H. Hosseinian // Energy. 2014. Vol. 68. Р. 140-147.
4. Power Quality Costs estimation in Portuguese industry / C. Patrao, J. Delgado, A.T. de Almeida, P. Fonseca // 11th International Conference on Electrical Power Quality and Utilisation. 2011. Р. 1-6.
5.Ahmad B.A. , ElSheikh H.H., Fadoun A. Review of power quality monitoring systems // 2015 International Conference on Industrial Engineering and Operations Management (IEOM). 2015. Р. 1-8.
6. Gujar N.S., Talati S.K. Power quality monitoring and mitigation // 2017 7th International Conference on Power Systems (ICPS). 2017. Р. 111-115.
7.Golik V.I., Razorenov Yu.I., Efremenkov A.B. Recycling of metal ore mill tailings // Applied Mechanics and Materials. 2014. Т. 682. Р. 363-368.
8.Litvinenko V. S. Digital economy as a factor in the technological development of the mineral sector. Natural Resources Research. 2019. doi: 10.1007/s11053-019-09568-4.
9. Khasheva Z.M., Golik V.I. The ways of recovery in economy of the depressed mining enterprises of the Russian Caucasus // International Business Management. 2015. Т. 9. № 6. Р. 1210-1216.
10.Клюев Р.В., Гаврина О.А., Михальченко С.Н. Анализ удельного потребления электроэнергии обогатительной фабрики // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2020. Вып. 1. С. 433447.
11. 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.
12. Performance evaluation of functioning of natural-industrial system of mining-processing complex with help of analytical and mathematical models / I. I. Bosikov, R. V. Klyuev, V. Ch. Revazov, D. E. Pilieva // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2018. 2018 IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 327 022013.
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- «Sev-kavkazenergo» // Int. Multi-Conf. on Industrial Engineering and Modern Technologies (FarEastCon) (Vladivostok). 2019. Inspec Accession Number 19229305 DOI: 10.1109/FarEastCon.2019.8934076.
14. Оценка агроэкологического состояния агроландшафтов для повышения их устойчивости / В.Л. Татаринцев, Л.М. Татаринцев, Ф.К. Ерме-ков, Ю.С. Лисовская // Устойчивое развитие горных территорий. 2022. Т.14. № 1. С. 76-86. DOI: 10.21177/1998-4502-2022-14-1-76-86.
15. Баловцев С.В., Скопинцева О.В., Коликов К.С. Управление аэрологическими рисками в подготовительных выработках угольных шахт // Устойчивое развитие горных территорий. 2022. Т. 14. № 1. С. 107-116. DOI: 10.21177/1998-4502-2022-14-1-107-116.
Клюев Роман Владимирович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, [email protected], Россия, Владикавказ, Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет); Московский политехнический университет,
Босиков Игорь Иванович, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Владикавказ, Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет),
Гаврина Оксана Александровна, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Владикавказ, Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет),
Голик Владимир Иванович, д-р техн., наук, проф., гл. науч. сотрудник, v. i. golik@,mail. ru, Россия, Владикавказ, Геофизический институт Владикавказского научного центра; проф., Россия, Москва, Московский политехнический университет
IMPROVING THE QUALITY OF ELECTRIC POWER AT INDUSTRIAL ENTERPRISES THROUGH THE APPLICATION OF AN ACTIVE HARMONIC FILTER
R.V. Klyuev, I.I. Bosikov, O.A. Gavrina, V.I. Golik
One of the most important directions in the development of the fuel and energy complex at the present stage is the solution of the problem of increasing the reliability of electrical networks. The identified tasks can be solved with the help of measures aimed at improving the energy efficiency of the equipment used and improving the quality of electrical energy. Thus, the choice of the topic is due to the emergence of a large number of uncovered tasks in the field of studying the noise immunity of equipment. The study of noise immunity is one of the ways to protect and improve the energy efficiency of electrical networks and equipment of enterprises in various industries. The relevance of this work is determined both by the needs of research in the field of studying noise immunity, and by numerous practically important applications of the results obtained, in particular, for the development of protection and improving the energy efficiency of electrical equipment and electrical networks. The purpose of this work is to solve a number of problems to improve the electromagnetic environment, increase the energy efficiency of the equipment in operation, improve the quality of electrical energy through the study of the noise immunity phenomenon, and use the results obtained for practical application in organizations. The objectives of this work are to conduct a brief analysis of the electrical facilities of a hazardous production facility for noise immunity, study the electromagnetic impact on the operating mode of process equipment and networks, search for possible solutions to improve the noise immunity of equipment and the quality of electrical energy at the enterprise. The scientific novelty and practical significance of this work is to improve the electromagnetic environment and increase the noise immunity of equipment at industrial enterprises.
Key words: noise immunity, power quality, industrial enterprise, frequency converter, harmonic.
Klyuev Roman Vladimirovich, Doctor of Technical Sciences, Full Professor, Head of chair, [email protected], Russia, Vladikavkaz, North Caucasian Institute of mining and metallurgy (State Technological University); Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,
Bosikov Igor Ivanovich, Candidate of Technical Science, Docent, [email protected], Russia, Vladikavkaz, North Caucasian Institute of mining and metallurgy (State Technological University),
Gavrina Oksana Alexandrovna, Candidate of Technical Science, Docent, [email protected], Russia, Vladikavkaz, North Caucasian Institute of mining and metallurgy (State Technological University),
Golik Vladimir Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, chief of science employee, [email protected], Russia, Vladikavkaz, Geophysical Institute of Vladikavkaz Scientific Center; Prof., Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University
Reference
1. Yakovlev V. I., Shulika A. Yu. Investigation of interference emission in 10/0.4 kV electric networks // Energy man. 2020. No. 9. pp. 52-56.
2. 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. 2016. Vol. 83. pp. 229-240.
3. Modeling and investigation of harmonic losses in optimal power flow and power system local marginal pricing / H. Norouzi, S. Abedi, R. Jamalzadeh, M.G. Rad, S.H. Hos-seinian // Energy. 2014. Vol. 68. pp. 140-147.
4. Power Quality Costs estimation in Portuguese industry / C. Patrao, J. Delgado, A.T. de Almeida, P. Fonseca // 11th International Conference on Electrical Power Quality and Utilisation. 2011. pp. 1-6.
5.Ahmad B.A. , ElSheikh H.H., Fadoun A. Review of power quality monitoring systems // 2015 International Conference on Industrial Engineering and Operations Management (IEOM). 2015. p. 1-8.
6. Gujar N.S., Talati S.K. Power quality monitoring and mitigation // 2017 7th International Conference on Power Systems (ICPS). 2017. p. 111-115.
7.Golik V.I., Razorenov Yu.I., Efremenkov A.B. Recycling of metal ore mill tailings // Applied Mechanics and Materials. 2014. Vol. 682. p. 363-368.
8.Litvinenko V. S. Digital economy as a factor in the technological de-velopment of the mineral sector. Natural Resources Research. 2019. doi:10.1007/s11053-019-09568-4.
9. Khasheva Z.M., Golik V.I. The ways of recovery in economy of the depressed mining enterprises of the Russian Caucasus // International Business Management. 2015. Vol. 9. No. 6. p. 1210-1216.
10. Klyuev R.V., Gavrina O.A., Mikhalchenko S.N. Analysis of specific electricity consumption of the concentrating plant // Izvestiya Tula State University. Earth sciences. 2020. Issue 1. pp. 433-447.
11. 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.
12. Performance evaluation of functioning of natural-industrial system of mining-processing complex with help of analytical and mathematical models / I. I. Bosikov, R. V. Klyuev, V. Ch. Revazov, D. E. Pilieva // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2018. 2018 IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 327 022013.
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- «Sevkavkazenergo» // Int. Multi-Conf. on Industrial Engineering and Modern Technologies (FarEastCon) (Vladivostok). 2019. Inspec Access Number 19229305 DOI: 10.1109/FarEastCon.2019.8934076.
14. Assessment of the agroecological state of agricultural landscapes to increase their sustainability / V.L. Tatarintsev, L.M. Tatarintsev, F.K. Ermekov, Y.S. Lisovskaya // Sustainable development of mountain territories. 2022. Vol.14. No. 1. pp. 76-86. DOI: 10.21177/1998-4502-2022-14-1-76-86.
15. Balovtsev S.V., Skopintseva O.V., Kolikov K.S. Management of aerological risks in preparatory workings of coal mines // Sustainable development of mountain territories. 2022. Vol. 14. No. 1. pp. 107-116. DOI: 10.21177/1998-4502-2022-14-1-107-116.
