СТУПЕНЧАТОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ БАТАРЕЙ КОНДЕНСАТОРОВ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ НАГРУЗКИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Саитбаталова Раиса Садыковна; Гибадуллин Рамил Рифатович; Загидуллин Ренат Габдрауфович

Р.С. Саитбаталова1, Р.Р. Гибадуллин1, Р.Г. Загидуллин2

1Казанский государственный энергетический университет, г. Казань, Россия 2ООО «ВолгаЭлектроПроект», г. Казань, Россия

torianin@mail.ru

Резюме: О применении ступенчатого регулирования батарей конденсаторов для обеспечения устойчивости нагрузки промышленных предприятий. Предлагается новый подход к выбору мощности компенсирующих устройств и законов их управления в целях обеспечения устойчивости двигательной нагрузки и повышению качества электроснабжения промышленных предприятий.

Ключевые слова: ступенчатое регулирование батарей конденсаторов, устойчивость двигательной нагрузки, качество электроснабжения.

STEPPED REGULATION OF BATTERIES OF CAPACITORS TO ENSURE THE SUSTAINABILITY OF LOADING INDUSTRIAL ENTERPRISES

R.S. Saitbatalova1, R.R. Gibadullin1, R.G. Zagidullin2

1Kazan State Power Engineering University, Kazan, Russia 2LLC «VolgaElektroProekt», Kazan, Russia

torianin@mail.ru

Abstract: A transient stability of asynchronous electric motors of the industrial plants at short-term voltage drops in electric system. There is a new approach to a choice of capacity of bucking out systems and principles of their management with a view to provide a asynchronous loading stability and to improve a quality of electrosupply of the industrial plants.

Keywords: stepped regulation of batteries of capacitors, stability of motor load, power supply quality.

Согласно приказу «Минпромэнерго» от 22.02.2001 г. № 2 для потребителей устанавливаются предельные значения коэффициента мощности tg9 = 0,4 и 0,35 для сетей 6-10 кВ и 0,38 кВ соответственно. Однако, даже при выполнении потребителями указанных требований питающие сети будут вынуждены передавать значительную реактивную мощность (до 35-40% от величины активной), что обусловит определенные потери электроэнергии. Поэтому сетевыми компаниями в целях повышения пропускной способности линий электропередач и снижения потерь электроэнергии и сертификации электроэнергии бытовых потребителей будут определяться оптимальные значения компенсации реактивной мощности (КРМ) в распределительных сетях. Результаты расчета КРМ в электрической сети представляются в виде оптимальных мощностей и мест размещения компенсирующих устройств, а в сети потребителя - в виде следующих

величин, указываемых в договоре на пользование электроэнергии. Таким образом, промышленные предприятия должны будут устанавливать компенсирующие устройства соответствующей мощности. При этом необходимо иметь в виду, что сетевая компания не несет ответственности за снижение или повышение напряжения того уровня, установленного в договоре на пользование электроэнергии в точке учета электроэнергии при несоблюдении технических пределов потребления реактивной мощности в часы больших нагрузок электрической сети и генерации реактивной мощности в часы малых нагрузок. И тем более, не несет ответственности за кратковременные провалы напряжения в сети промышленных предприятий, обусловленных КЗ и другими возмущениями в питающей электрической сети. При этом ликвидация возмущений средствами релейной защиты и восстановление нормального режима электрической системы далеко не всегда приводит к восстановлению рабочего режима двигателей в сети предприятий нефтехимической промышленности. Расстройство же технологического процесса при нарушении устойчивости асинхронных и синхронных электродвигателей, обусловленных снижением напряжения, приводит к значительному ущербу. Непрерывность и динамическая инертность технологических процессов предприятий нефтехимической промышленности предъявляют высокие требования к качеству электроснабжения. В отношении обеспечения надежности электроснабжения основные электроприемники данных предприятий относятся к первой категории, в их составе имеются электроприемники особой группы. Соответственно, должна обеспечиваться бесперебойность, т.е. непрерывность электроснабжения, живучесть системы и качество электроэнергии у электроприемников [1].

Влияние режимов электрической системы на режим систем электроснабжения объясняется тем, что для современных систем электроснабжения промышленных предприятий характерно увеличение мощностей трансформаторов главных понизительных подстанций и повышение напряжения линий электропередач внешнего электроснабжения. Такие решения приводят к усилению электрической связи между питающей энергосистемой и распределительной сетью промышленных предприятий и, как следствие, к существенному влиянию друг на друга режимов электрической системы и системы электроснабжения. Поэтому подход к выбору источников реактивной мощности, устанавливаемых в системе электроснабжения промышленных предприятий, с целью обеспечения необходимого качества электроэнергии и надежности питания двигательной нагрузки невозможен без того обстоятельства, что в сущности системы электроснабжения промышленных предприятий должны рассматриваться как подсистемы единой энергетической системы [2].

В качестве источников реактивной мощности в системах электроснабжения традиционно используются синхронные двигатели, если они установлены по условиям технологии и конденсаторные установки (КУ), выбираемые по условию экономической целесообразности [3].

Величина реактивной мощности, выдаваемой синхронным двигателем в режиме перевозбуждения, зависит от загрузки двигателя. При этом имеются дополнительные потери активной мощности. При изменении режима в электрической системе для поддержания соответствующего уровня напряжения должно осуществляться регулирование потока реактивной мощности, т.е. синхронные двигатели должны работать в какие-то периоды в режиме перевозбуждения, а в какие-то периоды - в режиме недовозбуждения. В последнем случае запас устойчивости двигателей снижается. Причем некоторые двигатели по условию устойчивости не могут работать в режиме недовозбуждения при определенных значениях коэффициента мощности. В качестве примера в таблице приведены результаты

расчета коэффициентов запаса устойчивости по мощности Кр, по напряжению Ки синхронных двигателей типа СТДП мощностью 8 МВт, напряжением 6 кВ. Расчеты

были проведены применительно к схеме электроснабжения, где трансформаторы мощностью 63 МВ-А главной понизительной подстанции связаны с системой напряжением 115 кВ воздушной линией, два синхронных двигателя присоединены к секции шин напряжением 6 кВ, а остальные потребители получают питание через сдвоенный реактор от других секций шин. Результаты расчета полностью подтвердились и на практике.

При провалах напряжения для обеспечения устойчивости двигателей необходимо резкое увеличение выдачи реактивной мощности синхронными двигателями, т.е. необходимо осуществить форсировку возбуждения, чего на практике не применяется. [4].

Таким образом, в ряде случаев установка КУ может оказаться более целесообразной по техноэкономическим условиям, чем использование синхронных двигателей в качестве источника реактивной мощности.

Взаимосвязанность режимов внешнего и внутреннего заводского электроснабжения требует новых подходов к выбору мощности конденсаторных установок [5].

Проведенные исследования и эксперименты показали возможность путем соответствующего изменения баланса реактивной мощности получить комплексное решение задачи существенного улучшения качества напряжения, повышения запасов устойчивости и увеличения надежности систем электроснабжения. Для этих целей рекомендуется применение автоматически регулируемых по напряжению конденсаторных установок увеличенной мощности по сравнению с теми, которые выбираются лишь из условий экономически целесообразной степени компенсации реактивной мощности нагрузки в нормальных режимах. Увеличение мощности конденсаторной установки производится за счет применения дополнительных секций, которые включаются автоматически только при снижении напряжения у потребителя последовательно один за другим по мере снижения напряжения в системе и отключаются, когда напряжение у потребителя становится равным номинальному значению [6]. В качестве примера на рис.1 показана зависимость напряжения на шинах нагрузки ЦН от напряжения системы Цс при применении конденсаторных установок, выбранных по условию экономически целесообразной степени компенсации реактивной мощности (кривая 2) и конденсаторных установок, оснащенных пятью дополнительными секциями, включаемыми по мере снижения напряжения системы (кривая 1). Нарушение устойчивости асинхронных двигателей в первом случае происходило при снижении напряжения в системе на 9,5%, а во втором - на 21,5%. Исследование возможности использования конденсаторной установки с дополнительными секциями в целях сохранения устойчивости асинхронных двигателей проводилось на экспериментальной установке. Данная установка состояла из асинхронного двигателя типа А-51-4, получающего питание через реактор от автотрансформатора с широким диапазоном регулирования напряжения. Параллельно асинхронному двигателю была подключена ступенчато-регулируемая конденсаторная установка [7]. Основная секция этой установки компенсировала до 100 % реактивной мощности асинхронного двигателя, дополнительные секции включались поочередно при понижении напряжения на выводах асинхронного двигателя до 0,95 ЦН. Каждая дополнительная секция была рассчитана на увеличение напряжения до номинального ЦН на выводах двигателя. Момент сопротивления асинхронного двигателя поддерживался постоянным с помощью электромагнитного тормоза. Производилось резкое понижение напряжения источника питания посредством автотрансформатора, причем при достижении напряжения на выводах двигателя до значения равного 0,95 Цн включалась первая дополнительная секция, если напряжение на выводах двигателя не достигало номинального, а понижалось, то включалась вторая дополнительная секция. На рис. 2 приведена осциллограмма, показывающая изменения мощности РдВ и напряжение ЦдВ на выводах двигателя, при включении дополнительной секции конденсаторной установки [8]. При этом время переходного процесса составило 0,016 с. Проведенные расчеты и эксперименты позволяют заключить, что ступенчато-регулируемые конденсаторные установки с дополнительными секциями могут являться

одним из способов сохранения устойчивости асинхронных двигателей ответственных механизмов при провалах напряжения в системе электроснабжения, обусловленного кратковременными аварийными режимами в питающей энергосистеме. При требуемом запасе устойчивости количество дополнительных секций и их суммарная мощность зависят от вида нагрузки, ее состава, от удаленности нагрузки от энергосистемы, т.е. от внешней и внутризаводской схемы электроснабжения [9]. Поэтому применение предлагаемого способа повышения устойчивости нагрузки должно решаться с учетом особенностей промышленного предприятия, его технологии при проектировании системы электроснабжения данного предприятия или его модернизации [10].

Рис. 1. Зависимость напряжения на выводах двигателя Цн от напряжения системы Цс 1 - ступенчатое регулирование КУ; 2 - нерегулируемая КУ

Рис. 2. Осциллограмма динамического перехода от одного режима к другому при включении дополнительной секции конденсаторной установки

Проведенная ориентировочная оценка экономической эффективности использования автоматически управляемых конденсаторных установок с дополнительными секциями в сетях промышленных предприятий позволяет сделать вывод, что применение предлагаемого способа повышения устойчивости двигательной нагрузки может быть в ряде

82

случаев экономически целесообразным средством повышения надежности работы электроприемников промышленных предприятий.

В заключении хотелось бы отметить, что предлагаемые компенсирующие устройства могут быть использованы в регулировании реактивной мощности в электрической системе. Это позволит разгрузить электрические сети от потоков реактивной мощности, обеспечить баланс реактивной мощности и режим напряжений в узлах нагрузки.

Основные выводы:

1. Для получения не заниженных результатов токов КЗ, расчет необходимо проводить по уравнениям Парка-Горева.

2. В статье предлагается определить результирующий ток КЗ по алгебраическим уравнениям для полученных периодических и апериодических составляющих.

3. Полученные расчетные выражения позволяют правильно учесть соотношения между активными сопротивлениями контуров ротора, что в ряде случаев имеет большое значение.

Литература

1. Калентионок Е.В. Устойчивость электроэнергетических систем. Минск: Техноперспектива, 2008. 375 с.

2. Гамазин С.И., Ставцев В.А., Цырук С.А. Переходные процессы в системах промышленного электроснабжения, обусловленные электродвигательной нагрузкой. М.: Издательство МЭИ, 1997. 424 с.

3. Gracheva E.I., Naumov O.V., Sadykov R. R. Determination of resistance change dependence for contact connections of low-voltage devices according to their nominal parameters, International journal of applied engineering research. Vol. 10 No. 24(2015). pp.45324-45330.

4. Safin A.R., Ivshin I.V., Kopylov A.M., Misbakhov R.Sh, Tsvetkov A.N. Selection and justification of design parameters for reversible reciprocating electric machine, International Journal of Applied Engineering Research ISSN 0973-4562 Vol. 10, №. 12(2015). pp. 31427-31440.

5. Gracheva E.I., Naumov O.V. Operating Mode Influence on Probability Characteristics of Electric. Devices Journal of engineering and applied sciences. Vol. 11 (special iss. 1), №э. 13(2016). рp.2934-2938.

6. Грачева Е.И., Наумов О. В. Использование метода планирования эксперимента для оценки функциональных параметров линий цеховых сетей напряжением до 1000 в // Электрика. 2015. №10. С. 12-23.

7. Gracheva E.I., Naumov O.V. Evaluation criteria of contact group technical state concerning electrical appliances. International Journal of pharmacy and Technology. Vol. 8, №э. 4(2016). рр.26763-26770.

8. Fedotov A.I., Gracheva E.I., Fedotov E.A., Chernova N.V. Local Fourier transformation application for mathematic modeling of synchronous machine valve actuator. Journal of engineering and applied sciences. Vol. 11 (special iss. 1), №. 13(2016). рp.2939-2945.

9. Gracheva E.I., Naumov O.V. Operating Mode Influence on Probability Characteristics of Electric. Devices, Journal of engineering and applied sciences. Vol. 11 (special iss. 1), №э. 13(2016). рp.2934-2938.

10. Грачева Е.И., Сафин А.Р., Садыков Р.Р. Исследование и оценка функциональных параметров низковольтных аппаратов // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2018. Т. 20. № 5-6. С. 13-22.

Авторы публикации

Саитбаталова Раиса Садыковна - кандидат технических наук, доцент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ).

Гибадуллин Рамил Рифатович - кандидат технических наук, доцент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). E-mail: torianin@mail.ru.

Загидуллин Ренат Габдрауфович - технический директор ООО «ВолгаЭлектроПроект».

References

1. Kalentionok E.V. Stability of electric power systems. Minsk: Tekhnoperspektiva, 2008.

375 р.

2. Gamazin S. I., Stavtsev V. A., Tsyruk S. A. Transients in industrial power supply systems due to electric load. M.: MPEI, 1997. 424 р.

3. Gracheva E.I., Naumov O.V., Sadykov R. R. Determination of resistance change dependence for contact connections of low-voltage devices according to their nominal parameters, International journal of applied engineering research. Vol. 10 No. 24(2015). pp.45324-45330.

4. Safin A.R., Ivshin I.V., Kopylov A.M., Misbakhov R.Sh, Tsvetkov A.N. Selection and justification of design parameters for reversible reciprocating electric machine, International Journal of Applied Engineering Research ISSN 0973-4562 Vol. 10, №. 12(2015). pp. 31427-31440.

5. Gracheva E.I., Naumov O.V. Operating Mode Influence on Probability Characteristics of Electric. Devices Journal of engineering and applied sciences. Vol. 11 (special iss. 1), №э. 13(2016). рp.2934-2938.

6. Gracheva E. I., Naumov O. V. Ispol'zovanie metoda planirovaniya ehksperimenta dlya ocenki funkcional'nyh parametrov linij cekhovyh setej napryazheniem do 1000 v // EHlektrika. 2015. №10. pp. 12-23.

7. Gracheva E.I., Naumov O.V. Evaluation criteria of contact group technical state concerning electrical appliances. International Journal of pharmacy and Technology. Vol. 8, №э. 4(2016). рр.26763-26770.

8. Fedotov A.I., Gracheva E.I., Fedotov E.A., Chernova N.V. Local Fourier transformation application for mathematic modeling of synchronous machine valve actuator. Journal of engineering and applied sciences. Vol. 11 (special iss. 1), №. 13(2016). рp.2939-2945.

9. Gracheva E.I., Naumov O.V. Operating Mode Influence on Probability Characteristics of Electric. Devices, Journal of engineering and applied sciences. Vol. 11 (special iss. 1), №э. 13(2016). рp.2934-2938.

10. Gracheva E. I., Safin A. R., Sadykov R. R. Issledovanie i ocenka funkcional'nyh parametrov nizkovol'tnyh apparatov // Proceedings of the higher educational institutions. ENERGY SECTOR PROBLEMS. 2018. Vol. 20, No. 5-6. pp. 13-22

Authors of the publication

Raisa S. Saitbatalova - Kazan State Power Engineering University, Kazan, Russia.

Ramil R. Gibadullin - Kazan State Power Engineering University, Kazan, Russia. E-mail: torianin@mail.ru.

Renat G. Zagidullin - LLC «VolgaElektroProekt», Kazan, Russia.

Поступила в редакцию 28 января 2019 г.

STEPPED REGULATION OF BATTERIES OF CAPACITORS TO ENSURE THE SUSTAINABILITY OF LOADING INDUSTRIAL ENTERPRISES

Текст научной работы на тему «СТУПЕНЧАТОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ БАТАРЕЙ КОНДЕНСАТОРОВ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ НАГРУЗКИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ»