CC BY
33
УДК 621.313
СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОВАЛОВ НАПРЯЖЕНИЯ В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ОАО «КАЗАНЬОРГСИНТЕЗ»
С.Р. ИЛЬДИРЯКОВ, Ш.И. ВАФИН
Казанский государственный энергетический университет
В статье приведены результаты статистического анализа провалов напряжения на ОАО «Казаньоргсинтез» за 2005-2007 годы. Предлагаются мероприятия по снижению влияния провалов напряжения на потребителей электроэнергии.
Ключевые слова: провал напряжения, короткое замыкание, остаточное напряжение, система электроснабжения.
Надежность электроснабжения промышленности, транспорта и всего населения городов и сел является одной из главных составляющих стабильности жизненных условий в любом из регионов России.
Для обеспечения бесперебойности электроснабжения ответственных потребителей основной руководящий документ проектировщика [1] требует организовывать питание от двух независимых источников питания. При этом под независимым источником питания электроприёмника подразумевается источник питания, «на котором сохраняется напряжение в пределах, регламентированных для послеаварийного режима работы электроприёмников соответствующих категорий, при исчезновении напряжения на других источниках питания. К числу независимых источников питания относятся две секции или системы шин одной или двух электростанций и подстанций при одновременном соблюдении следующих условий:
1. Каждая из секций или систем шин, в свою очередь, имеет питание от независимого источника питания.
2. Секции (системы) шин не связаны между собой или имеют связь, автоматически разрываемую при нарушении нормальной работы одной из секций (систем) шин» [1].
Рассматривая схемы питания промышленных предприятий нужно отметить некоторую особенность, которая имеет место во многих объединённых энергосистемах нашей страны и является, по своей сути, некоторой подменой понятий. Эта особенность заключается в том, что под независимыми источниками питания имеются в виду, чаще всего, независимые присоединения к системе электроснабжения. Подобный вывод вытекает из второго условия построения систем электроснабжения ответственных потребителей (см. выше).
Это связано со следующей логической цепочкой:
• при построении системы электроснабжения главным требованием, предъявляемым к ней, является надёжность;
• достижение высокой надёжности при раздельной работе генерирующих мощностей - крайне трудная задача;
• исходя из этого, все генерирующие мощности, так или иначе, имеют связь между собой линиями электропередач, которые необходимы для взаиморезервирования мощностей при аварийных отключениях генерирующих энергоблоков и/или линий электропередач без кратковременных перерывов электроснабжения, неминуемо возникающих при применении систем АВР.
© С.Р. Ильдиряков, Ш.И. Вафин Проблемы энергетики, 2011, № 3-4
Такая система имеет определенные преимущества в возможности «перекачки» электрической энергии в области, имеющие ее дефицит. Однако, как отмечается в работе [2] и ряде других источников, короткие замыкания (КЗ), провалы напряжения, колебания и отклонения напряжения в сети влияют практически на все приемники электрической энергии на всех предприятиях, особенно находящихся вблизи источников генерации электрической энергии. Обычно продолжительность таких нарушений сравнительно невелика, но при этом они периодически приводят к аварийным остановам электрооборудования.
Рассмотрим причины возникновения провалов напряжения. Основной причиной провалов напряжения являются КЗ. Как известно [3], вероятность возникновения однофазного К» равна 65%, двухфазного на землю К(11) - 20%, двухфазного К2) - 10%, трёхфазного К3) - 5%. На основании этих данных стоит уделить особое внимание самым часто возникающим видам КЗ - однофазным и двухфазным.
Подобные КЗ чаще всего возникают в питающих сетях с глухо заземлённой нейтралью напряжением 35-220 кВ. Основной причиной возникновения К(1), К(1,1) и К2) являются повреждения, возникающие из-за неблагоприятных погодных условий, обрывов, касаний проводов в момент раскачивания близлежащих деревьев (возможно несвоевременно подстриженных) и ряда других факторов.
Рассмотрим требования ГОСТ [4] на качество электрической энергии. В нём обговаривается, что допустимая продолжительность провалов напряжения ниже уровня 0,9 от ?7ном в сетях до 20 кВ не более 30 сек. Все остальные величины, характеризующие провалы напряжения, жёстко не регламентированы.
Это положение дел, возможно, объясняется тем, что продолжительность провалов напряжения в сетях 35-500 кВ составляет доли секунды. Например, время отключения однофазного КЗ в сетях напряжением 110 кВ находится в пределах 0,2^0,3 сек. Предполагается, что такие непродолжительные провалы напряжения в питающих системах не могут повлечь останов приводов технологического оборудования, а если и приводят, то в соответствии с ПУЭ должно предусматриваться технологическое резервирование [1].
Также в вышеназванном ГОСТ приводятся статистические данные вероятности возникновения провалов определённой продолжительности и глубины для распределительных сетей напряжением 6(10) кВ. Эти данные подходят для крупных городских сетей и однозначно перенести эти данные на распределительные сети промышленных предприятий нельзя по следующим причинам:
• суммарная протяжённость распределительной сети на предприятии в сравнении с городскими сетями невелика;
• в городских сетях довольно распространено применение воздушных линий 6(10) кВ, в отличие от преимущественного применения кабельных линий на промышленных предприятиях;
• на режимы процессов, происходящих в распределительных сетях промышленных предприятий, существенное влияние оказывают процессы в питающих сетях напряжением 35-110 Кв.
Для анализа провалов напряжения на промышленных предприятиях и получения статистической картины были рассмотрены данные о зафиксированных провалах напряжения на предприятии ОАО «Казаньоргсинтез» за период с 2005 по 2007 годы. На каждый факт провала напряжения (называемых в их документах «посадками»), перерыва электроснабжения и аварийной ситуации в системе электроснабжения на предприятии составлялась служебная записка или протокол о зафиксированном факте аварии с фиксацией даты,
времени, уровня и продолжительности провала напряжения в системе электроснабжения, а также причин возникновения. Дополнительно оценивался экономический ущерб из-за перерасхода сырья и недоотпуска продукции.
Для обработки существующих статистических данных воспользуемся методикой, предложенной в источнике [5], с некоторыми корректировками и дополнениями. Для начала проведём классификацию провалов напряжения по причинам возникновения, при этом длительность провала напряжения будем считать основным показателем качества электрической энергии, а величину остаточного напряжения и частность появления - вспомогательным.
Обозначим основные формулы [4], характеризующие параметры провалов напряжения:
1. Глубина провала напряжения:
и -и
Ьип = ином и мин • 100%. (1)
ином
2. Длительность провала напряжения:
^п = *к - ^н . (2)
3. Частость появления провала напряжения:
р = т•(ип • А*п) (3)
Рп = м . (3)
Анализируя имеющиеся данные об аварийных отключениях из-за провалов напряжения практически любой глубины (ниже 0,9 от ином), приходим к выводу о том, что они нарушают бесперебойность электроснабжения потребителей. Поэтому, как отмечается в источнике [6], имеет смысл считать провалы напряжения дополнительным критерием, определяющим надёжность системы электроснабжения по обеспечению бесперебойности электроснабжения.
Для принятия решения о применении технических мер по снижению количества провалов напряжения при построении систем электроснабжения (СЭС) ответственных потребителей или снижению негативных факторов (остановов) от их возникновения необходимо проанализировать статистические данные и получить вероятностно-статистическую оценку провалов напряжения, возникающих в СЭС.
Подобный статистический анализ длительности и числа провалов напряжения включает в себя следующие этапы:
1. Выявление основных причин возникновения провалов напряжения в существующей СЭС.
2. Определение вероятностей провалов напряжения.
3. Построение графиков распределения вероятностей провалов напряжения.
4. Выбор средств и мероприятий по разработке СЭС с защитой от провалов напряжения (ЗПН).
На первом этапе статистического исследования определим перечень причин возникновения провалов напряжения, который на ОАО «Казаньоргсинтез» сводится к следующему (рис. 1):
Рис. 1. Причины возникновения провалов напряжения
1. Отключения КЗ в ЛЭП напряжением 110-500 кВ как питающих, так и смежных сетей.
2. КЗ, возникающие в распределительных сетях 6 кВ, из-за старения изоляции и механических повреждений.
3. Отказ электрооборудования (ЭО) в питающих СЭС, приводящих как к КЗ, так и к перерывам электроснабжения до момента срабатывания АВР.
4. Пуск мощных электродвигателей на объединении, приводящих к снижению уровня напряжения на секциях шин 6 кВ из-за огромной потребляемой реактивной мощности в момент пуска.
5. Грозовая деятельность и перенапряжения, возникающие при прямых ударах молний в ВЛ 110 кВ на подходах к ЦРП, так и в смежных районных сетях.
6. Другие причины, такие как: отказ блоков РЗиА всех ступеней электроснабжения, приводящие к провалам напряжения, ошибка диспетчерского персонала и другие.
Результаты вероятностного распределения причин возникновения, а также величина вероятности провалов напряжения и кумулятивной эмпирической функции ¥*(х) на ОАО «Казаньоргсинтез» приведены в таблице.
Таблица
Классификация провалов напряжения на ОАО «Казаньоргсинтез» с 2005 по 2007 годы
№ п/п Причины возникновения провалов в соответствии с перечнем: Число провалов Вероятность данного провала ю(х) Кумулятивная эмпирическая функция ^*(х)
1 Отключения КЗ в воздушных ЛЭП 110-500 кВ 74 0,673 0,673
2 Повреждения в распред сетях 6 кВ предприятия 17 0,155 0,827
3 Отказ ЭО в питающих сетях 110-500 кВ 8 0,073 0,900
4 Пуск/перегрузка/повреждения мощных ЭД 6 кВ 7 0,064 0,964
5 Грозовая деятельность, перенапряжения 3 0,027 0,991
6 Другие причины 1 0,009 1,000
Итого: 110 1,000
Простым критерием в пользу гипотезы о пуассоновском распределении является равенство дисперсии случайной величины её математическому
ожиданию. Для проверки гипотезы определим математическое ожидание и дисперсию вероятности возникновения провала напряжения на ОАО «Казаньоргсинтез» (табл. 1):
мх =¿X • п = 1,645, (4)
I=1
^х = Е( - Мх)• Р1 = 1,265 (5)
1=1
На основании близости полученных значений (4) и (5) можно сделать вывод в пользу гипотезы о пуассоновском распределении.
Анализируя данные по провалам напряжения на ОАО «Казаньоргсинтез», можно сделать вывод о том, что 80% всех провалов напряжения возникают из-за повреждений и ненормальных режимов, происходящих во внешней системе электроснабжения (рис. 2).
э
Рис. 2. Процентное соотношение причин провалов напряжения в соответствие с таблицей
Графики процентных соотношений продолжительностей провалов напряжения и уровней остаточного напряжения для ОАО «Казаньоргсинтез» показаны на рис. 3 и 4. Стоит отметить, что информация о продолжительностях провалов напряжения и уровнях остаточного напряжения присутствовала для 76 из 110 зафиксированных провалов напряжения за период с 2005 по 2007 годы.
Продолжительность ПН. сек:
Продолжите.1 ьвые ИЛ (>0,5 сек)
Рис. 3. Процентное соотношение продолжительностей провалов напряжения на ОАО «Казаньоргсинтез» с 2005 по 2007 гг.
30 -МО %
Уровни остаточного напряжения, °/о от ином:
70 + 80 %
■ 0 + 10%
20+30% 25%,
■ 30 + 40 %
■ 40-5-50 % 50 - 60 % 60 + 70 % 70 - 80 % 80 + 90 %
10 + 20 % 25%
50 + 60% й%
Рис. 4. Процентное соотношение уровней остаточного напряжения при провалах напряжения на ОАО «Казаньоргсинтез» с 2005 по 2007 гг.
Данные статистического анализа говорят также и о том, что 76% провалов напряжения, зафиксированных на ОАО «Казаньоргсинтез», имеют уровень остаточного напряжения ниже 50% от ином (рис. 3), а 86% всех зафиксированных провалов напряжения имеют продолжительность до 0,5 сек (рис. 4).
Обычно для простого и сравнительно дешёвого решения проблемы провалов напряжения в существующих системах электроснабжения промышленных предприятий применяют систему самозапуска электродвигателей. Данная система осуществляет автоматический последовательный групповой запуск двигателей (в случае их аварийного останова из-за перерывов электроснабжения) сразу после восстановления нормального электроснабжения как после провалов напряжения, так и при переключении на резервный источник питания системой АВР. Последовательный групповой запуск применяют из-за недопустимости одновременного запуска большого количества крупных электродвигателей. Связано это с тем, что подобный запуск может привести к снижению уровня напряжения на шинах 6(10) кВ, т.е. к очередному провалу из-за значительной, по сравнению с номинальным режимом, потребляемой реактивной мощности. Вдобавок, самозапуск некоторого электрооборудования может быть недопустимым по условиям пуска (например, насосов, пускающихся на закрытую задвижку и др.), а иногда он становится просто бессмысленным, что связано со сложностью технологических процессов, зачастую требующих непрерывной работы всех электроприводов для обеспечения требуемого уровня качества выпускаемой продукции.
В итоге, применение только системы самозапуска, как основного и единственного решения проблемы кратковременных провалов напряжения, представляется научно необоснованным, о чём говорят данные экономического ущерба на ОАО «Казаньоргсинтез» из-за остановов электрооборудования после возникающих провалов напряжения.
На основании результатов статистического анализа можно разделить все провалы напряжения на непродолжительные (до 0,5 сек) и продолжительные (более 0,5 сек), причём последние уже можно считать не провалом напряжения, а перерывом электроснабжения, так как устройства защиты принимают подобный провал напряжения, именно, как перерыв электроснабжения, и большая часть оборудования при этом останавливается.
Подобная классификация позволяет разделить все мероприятия по уменьшению влияния и борьбе с провалами напряжения на две группы, принципиально различающиеся по способам решения данной проблемы.
Основным мероприятием по борьбе с продолжительными провалами напряжения является внедрение собственных источников питания, таких как дизель-генераторы и газовые турбины, либо питание от независимых источников, подключаемых системой автоматического ввода резерва (АВР). Время срабатывания подобной системы составляет от 0,7 сек. Данное техническое решение довольно основательно проработано в научной литературе и сравнительно давно применяется при проектировании систем электроснабжения, что отражено в ПУЭ [1]. При этом внедрение АВР затрагивает все ступени системы электроснабжения.
Ситуация с непродолжительными провалами напряжения не так однозначна и до сих пор не решена, так как в большинстве случаев электродвигатели неспособны нормально продолжить работу после подобных провалов напряжения без их останова из-за того, что запаса устойчивости электродвигателей оказывается недостаточно для безостановочной работы. В 50 случаях из 73 зафиксированных (~ 70% случаев) в период с 2006 по 2007 годы1 происходили остановы электрооборудования.
В настоящее время наблюдаются следующие подходы защиты от кратковременных провалов напряжения, причём ни один из них не является самодостаточным:
1) применение всё более быстродействующих систем РЗиА, которые производят обнаружение аварийных ситуаций и отключение повреждённых участков за меньшие промежутки времени;
2) применение быстродействующих автоматических систем ввода резерва (БАВР), которые являются дальнейшим развитием системы АВР и позволяют производить переключение на резервный источник питания в течение 40-100мс (в зависимости от типа применяемых выключателей). При этом, как отмечалось выше, при КЗ в сетях 110 кВ и при наличии взаимосвязей в системе электроснабжения возможна ситуация, когда провал напряжения будет наблюдаться на обоих присоединениях к системе электроснабжения;
3) применение быстродействующих токоограничивающих устройств, таких как коммутационные ограничители тока и выхлопные предохранители, позволяет производить отключения в течение четверти-половины периода тока КЗ, тем самым снижая влияние провала напряжения. Подобные решения при постоянном росте величины тока КЗ в существующих системах электроснабжения, являющиеся следствием развития электроэнергетики, способны дополнить существующие системы защиты;
4) мероприятия по регулированию уровня напряжения и компенсации реактивной мощности в системах электроснабжения. Данные мероприятия при современном подходе к их реализации (применение быстродействующих регулируемых устройств компенсации и прочее) позволяют увеличить уровень остаточного напряжения после возникших КЗ и последующем самозапуске электродвигателей (когда величина потребляемой реактивной мощности увеличивается в разы), снижая тем самым вероятность их останова;
5) внедрение современных систем управления возбуждением синхронных машин, таких как тиристорные регуляторы возбуждения. Хотя подобные системы
1 информация о последствиях провалов напряжения в 2005 году отсутствует. © Проблемы энергетики, 2011, № 3-4
не позволяют предотвратить аварийные остановы электродвигателей при глубоких провалах напряжения, они значительно увеличивают устойчивость их работы при неглубоких провалах напряжения (более 0,5 от ином);
6) внедрение систем динамического восстановления напряжения (ДВН), позволяющих снизить величину провала напряжения, производящих повышение уровня остаточного напряжения за счёт подпитки защищаемого оборудования через вольтодобавочный трансформатор от источника постоянного тока через инвертор [8]. Стоит отметить, что данная система не способна бороться с провалами напряжения из-за КЗ, возникающих за зоной защиты, т.е. во внутренней системе электроснабжения. Также подобная система сложно реализуема в системах электроснабжения мощных электродвигателей ввиду отсутствия массовых мощных источников накопления энергии. Подобное положение дел связано с невозможностью применения конденсаторов, так как требуется огромная труднодостижимая ёмкость при глубоких провалах напряжения [9], и возможной нецелесообразностью применения отдельных механических накопителей из-за сравнительно низкой вероятности возникновения провала напряжения, трудности их прогнозирования, а значит значительными затратами электроэнергии для питания данных устройств в режиме поддержания готовности к включению.
В заключение можно отметить следующие принципиальные моменты:
1. Провалы напряжения являются неотъемлемой частью существующих систем электроснабжения и без кардинальных изменений в их структуре и технических средствах не могут быть полностью устранены. Так, например, в ~70% случаев зафиксированные провалы напряжения вызывали аварийные остановы электрооборудования на ОАО «Казаньоргсинтез».
2. Данные статистического анализа говорят о том, что 76% зафиксированных провалов напряжения имеют уровень остаточного напряжения ниже 50% от ином, что, ввиду из-за отсутствия технических средств по защите от таких глубоких провалов, неминуемо приводит к останову части потребителей даже при их сравнительной непродолжительности.
3. Продолжительность зафиксированных провалов сравнительно невелика и, как показал анализ, продолжительность 86% провалов была менее 0,5 сек. При этом существующие технические решения в виде систем защиты и управления оказываются бессильными при таких провалах напряжения и производят защитные отключения, принимая провал напряжения за отключение, либо защищая двигатели от перегрузки при самозапуске.
4. Для решения проблемы подобных отключений на промышленных предприятиях предусматриваются системы противоаварийной защиты и технологического резерва, но эти системы неспособны предотвратить экономические потери из-за перерасхода сырья, брака, повреждения оборудования и недоотпуска продукции.
Summary
This article describes the results of the statistical analysis of voltage dips in electrical power system of OJSC "Kazanorgsintez". Proposes solutions to reduce influence of voltage dips on the electric power consumers.
Key words: voltage dips, residual voltage, short circuit, electrical power supply system.
Литература
1. Правила устройства электроустановок. ПУЭ. М.: ЗАО "Энергосервис", 2000. C. 608.
2. Саитбаталова Р.С, Лопухов В.М, Вильданов Р.Г, Бикбов Р.Ш. Провалы напряжения в системах электроснабжения предприятий химической промышленности // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2006. №7-8. С. 49-53.
3. Ульянов С.А. Электромагнитные переходные процессы. М.: Энергия, 1970. C. 514.
4. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения // ГОСТ 13109-97.
5. Гуров А.А., Сергунов Ю.А. Обоснование методики статистического исследования провалов напряжения в системах электроснабжения общего назначения // Энергобезоспасность и энергосбережение. 2009. - №1 (25).
6. Карташев И.И., Тульский В.Н., Шаманов Р.Г. Управление качеством электроэнергии. М.: МЭИ, 2006.
7. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1964.
8. Шилов И.Г. Повышение эффективности электроснабжения листопрокатных производств посредством минимизации провалов напряжения. Автореф. на соискание уч. степени к.т.н. спец. 05.09.03. Липецк: ЛГТУ, 2008.
9. Куро Ж. Современные технологии повышения качества электроэнергии при ее передаче и распределении // Новости Электротехники. СПБ. 2005. №1(31).
Поступила в редакцию 14 октября 2010 г.
Ильдиряков Сергей Римович - ассистент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» (ЭПП) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8-904-6608765. E-mail: isr@hotbox.ru.
Вафин Шамсумухамет Исламович - д-р техн. наук, профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» (ЭПП) Казанского государственного энергетического университета (КГэУ). Тел.: 8 (843) 519-42-73.
