CC BY
21
ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИК
I
УДК 621.311.4
ПРОВАЛЫ НАПРЯЖЕНИЯ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Р.С. САИТБАТАЛОВА*, Р.И. БИКБОВ*, Р.Г. ВИЛЬДАНОВ**, В.М. ЛОПУХОВ***
*Казанский государственный энергетический университет,
**ОАО «Оргсинтез», ***ОАО «Татэнерго»
Рассмотрено влияние провалов напряжения, вызванных повреждениями, как в сети энергосистемы, так и в сети предприятия, на технологический процесс предприятий химической промышленности. Приведены статистические данные величины провалов напряжения. Указаны мероприятия по уменьшению ущерба, обусловленного провалами напряжения.
Непрерывность технологических процессов предприятий химической промышленности предъявляет высокие требования к качеству электроснабжения. Для обеспечения надежности электроснабжения основные электроприемники данных предприятий первой категории в своем составе имеют электроприемники особой группы. Соответственно должна обеспечиваться бесперебойность, т.е. непрерывность электроснабжения, живучесть системы и качество электроэнергии у электроприемников. При этом под бесперебойностью электроснабжения понимается обеспечение электроэнергией потребителей в любой момент времени в соответствии с режимом его нагрузки, а под живучестью - способность системы электроснабжения не допускать развития аварий, катастрофических последствий и расстройства сложных технологических процессов у потребителя при нарушении электроснабжения. К проблеме живучести систем относится вопрос электроснабжения электроприемников особой группы в аварийных условиях и вопрос обеспечения самозапуска электродвигателей ответственных механизмов.
При проектировании систем электроснабжения предприятий химической промышленности предусматривается обеспечение указанных показателей качества электроснабжения. Однако при их решении предполагается, что напряжения независимых источников питания являются постоянными и повреждения в энергосистеме не влияют на качество электроснабжения. Такое решение понятно, так как аварийные ситуации в энергосистеме носят вероятностный характер, и трудно оценить при проектировании их влияние на качество электроснабжения и какой будет ущерб при его ухудшении. Поэтому последнее обнаруживается только при эксплуатации.
Так, при эксплуатации системы электроснабжения ОАО «Оргсинтез» обнаружилось, что КЗ, возникающие в сети 110-220 кВ энергосистемы, влияют на качество электроснабжения: происходит резкое снижение напряжения на всех вводах понизительных подстанций. Это объясняется тем, что два источника питания ТЭЦ-2 и ТЭЦ-3, к которым присоединены линиями электропередачи шесть понизительных подстанций 110/6(10) кВ, работают в параллель с другими ТЭЦ, т. е. эти два источника соединены между собой линией электропередачи напряжением 110 кВ. От шин 110 кВ этих ТЭЦ получают питание и другие
© Р.С. Саитбаталова, Р.И. Бикбов, Р.Г. Вильданов, В.М. Лопухов Проблемы энергетики, 2006, № 7-8
потребители. В качестве примера схематично на рис.1 показана схема присоединения одной понизительной подстанции (ЦРП) к ТЭЦ-2 и ТЭЦ-3.
Рис. 1. Принципиальная схема электроснабжения
Линия, соединяющая шины 110 кВ обеих ТЭЦ, короткая, и поэтому сопротивление ее мало. В связи с этим КЗ, происходящие как на самой этой линии, так и на линиях, отходящих от шин 110 кВ ТЭЦ, приводят к резкому снижению напряжения на шинах 110 кВ ТЭЦ-2 и ТЭЦ-3 и, соответственно, к резкому снижению напряжения на шинах 6(10) кВ понизительных подстанций. Глубина провала напряжения зависит от электрической удаленности точки КЗ от шин 110 кВ ТЭЦ, а его длительность - от времени срабатывания защиты и отключения поврежденного участка. Влияние провалов напряжения на работу двигательной нагрузки рассмотрено в работе [1]. Провалы напряжения означают, что требуемая качественная электроэнергия не поступает к нагрузке и последствия этого могут быть весьма серьезными в зависимости от назначения и характера нагрузки. Так, например, КЗ на линии в энергосистеме и ее последующее отключение привело к провалу напряжения на шинах 6(10) кВ всех шести центральных распределительных подстанций (ЦРП1-6) 110/6(10) кВ. Напряжение со стороны одного источника питания (ТЭЦ-2) снизилось на 32 % от номинального, со стороны другого источника питания (ТЭЦ-3) - на 24 %. Длительность провала напряжения составила 0,25 с. Комплекты устройства автоматического включения резерва (АВР) на ЦРП и других подстанциях 6(10)/0,4 кВ не запускались. В результате - в одном цехе отключились двигатели насосов: один - из-за снижения напряжения, другие - вследствие действия защиты от перегрузки (сработало тепловое реле). Отключение насосов привело к возникновению неустойчивого режима работы ректификационной колонны. При этом резко увеличилась нагрузка в цепях питания сигнализации КИП и произошло отключение автомата питания шкафов КИП, повлекшее за собой срабатывание всех предохранительных клапанов. В цехе пластмассовых изделий остановились четыре линии, на экструзионной линии вышла из строя электронная плата управления электродвигателем, остановились экструдеры. Материальный ущерб составил: на заводе «Оргпродукты» - недовыработка
продукции 2 т; на заводе по производству полиэтилена - недовыработка продукции 2,48 тыс. труб. При пуске и выходе на технологический режим образовалось 0,46 т отходов. В таблице показаны: глубина провала напряжения А и, длительность его ^ и имеющийся при этом ущерб У. Особенно значительный ущерб имеет место, когда осуществляется неуспешное автоматическое повторное включение (АПВ) на линиях, отходящих от источников питания к другим потребителям. При этом на шинах ЦРП наблюдается несколько чередующихся друг за другом провалов напряжения, что показано в п.4 таблицы в виде нескольких значений провалов напряжения и его длительности.
Таблица
№, Аи, % Ґ, с. У, %
п. п. со стороны ТЭЦ2 со стороны ТЭЦ3
1 32 24 0,25 0,6
2 80 60 0,25 52
3 29 32 0,55 3,4
4 44,5 50 0,28 13
35,6 36,3 0,3
5 30 49 1,49 8,5
6 49 50 0,19 2,7
7 50 55 0,155 12
8 16 40 0,11 0,02
9 29 30 0,16 4,5
10 19 22 0,235 0,2
11 29,5 30 0,163 1,8
12 29,5 30 0,29 1,3
Итого 100
Решение имеющейся проблемы повышения качества электроснабжения невозможно без представителей энергосистемы. Поэтому данная проблема решалась совместно. Необходимо было выяснить: при какой глубине и длительности провала напряжения не наблюдаются нарушения динамической устойчивости электродвигателей и технологического процесса. С этой целью были установлены на шинах 6(10) кВ всех ЦРП 1-6 регистрирующие устройства, снимающие осциллограммы изменения напряжения с записью на ЭВМ. Наблюдения в течение года выявили 26 случаев провалов напряжения из-за повреждений в энергосистеме. При этом напряжение снижалось на 16-80 % от номинального, длительностью 0,11- 3,2 с. Наименьший ущерб имел место при снижении напряжения на 40 % от номинального и длительностью 0,11 си наибольший - при снижении напряжения на 80 % от номинального и длительностью 0,3 с. На рис. 2 показана кривая распределения случайной величины провала напряжения, построенная с помощью нормального закона [2] по статистическим данным:
_(х-т)
, 2о2 ,
где х - глубина провала напряжения, %; т - математическое ожидание, равное 38,5%; Од/ 1)х , Бх - дисперсия статистического распределения, равная 211,892.
/ ) =
гл/2П
і
О 20 40 60 КО 100
Рис. 2. Кривая распределения случайной величины провала напряжения
Как видно из графика, глубина провала напряжения находится в пределах от 20 % до 60 % от номинального напряжения. Вероятность попадания в этот интервал при повреждении в энергосистеме равна [2]
р (20 <Аи < 60) = Ф
в - т
- Ф
= 0,83,
где в = 60, а а = 20.
Повреждения на линиях, отходящих от источников питания к ЦРП, за год наблюдались три раза. При этом напряжение снижалось на 23,4-83 %,
длительностью 0,58 - 3,23 с. Наибольший ущерб наблюдался при снижении напряжения на 83 % длительностью 3,23 с. Необходимо отметить, что повреждение на одной линии влечет за собой провал напряжения и на другой. Так, например, КЗ на линии 110 кВ, связывающей источник питания с трансформатором ЦРП, привело к снижению напряжения на первой секции шин 6(10) кВ на 83 %, при этом на второй секции шин ЦРП напряжение снизилось на 64 %.
Как при повреждении на линиях, идущих к трансформаторам ЦРП, так и на кабельных линиях, отходящих от шин 6(10) кВ ЦРП, АВР не обеспечивает самозапуск всех электродвигателей. В связи с этим наблюдаются значительные простои и, соответственно, ущербы от недовыработки продукции. Причем, чем длительнее простой, тем больше ущерб. Поэтому вместо ущерба в качестве одного из показателей качества электроснабжения лучше принять вероятность осуществления самозапуска всех электродвигателей, которую в общем случае можно определить как
Рс = рз РА (Рс /Рз РА Ь где Рз - вероятность успешной работы релейной защиты; ра - вероятность
успешной работы АПВ, АВР; Рс/Рзра - вероятность того, что самозапуск произойдет при условии успешной работы защиты и автоматики. Введение последнего объясняется тем, что на практике имеют случаи необеспечения самозапуска и при успешных действиях АПВ и АВР.
Анализ ситуаций, возникших при провалах напряжения, позволил разработать следующие мероприятия в целях повышения качества электроснабжения и уменьшения ущерба:
1) заключить договор с энергосистемой об обеспечении длительности провала напряжения из-за аварийных ситуаций в системе в пределах 0,2-0,25 с;
о
о
2) для питания цепей КИП и автоматики технологического оборудования смонтировать источник бесперебойного питания;
3) произвести корректировку программного обеспечения системы контроля и управления самозапуском электроприводов экструзионных линий;
4) уменьшить время срабатывания АВР путем использования современных схемных решений;
5) к источнику бесперебойного питания присоединить электроприемники напряжением 0,4 кВ, нарушение устойчивости которых влечет за собой расстройство технологического процесса;
6) установить выключатели с малым собственным временем отключения;
7) изменить установку реле минимального напряжения защиты электродвигателей компрессоров;
8) отказаться от режима работы синхронных двигателей с cos ф »1.
Внедрение указанных мероприятий позволит повысить качество
электроснабжения и уменьшить ущерб.
Выводы
1. Избежать КЗ в энергосистеме, с целью устранения провалов напряжения, крайне затратно и практически невозможно.
2. В рамках технико-экономической целесообразности электроснабжение предприятия должно осуществляться от источников питания, достаточно удаленных друг от друга, чтобы считать их электрически не связанными. Данную меру можно считать целесообразной, если математически ожидаемый годовой ущерб от возможных провалов напряжения не меньше дополнительных годовых затрат, связанных с транспортировкой электроэнергии от более удаленных, нежели в альтернативном варианте, источников питания.
3. В рыночных условиях потребитель должен сформулировать для себя требуемый уровень длительности провала напряжения с целью обеспечения достаточной устойчивости электродвигателей и предъявить его энергосистеме, так как маловероятно ожидать предложения таких решений со стороны поставщиков электроэнергии.
4. Самым экономичным способом противостоять провалам напряжения является разработка и выбор оборудования, устойчивого к провалам благодаря своей конструкции. К такому оборудованию, в частности, можно отнести регулируемый электропривод с улучшенной стойкостью к провалам напряжения.
Summary
Influence of failures of the voltage caused by damages both in a network of a power supply system, and in a network of the enterprise, on technological process of the enterprises of the chemical industry is considered. Statistical given sizes of failures of a voltage are resulted. Actions on reduction of the damage, caused are specified by failures of a voltage.
Литература
1. Гамазин С.И., Ставцев В.А., Цырук С.А. Переходные процессы в системах промышленного электроснабжения, обусловленные электродвигательной нагрузкой. - М.: Издательство МЭИ, 1997. - 424 с.
2. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. - М.: Высш. школа, 1999. - 575 с.
Поступила 20.03.2006
