Разработка методики расчета и рекомендаций по повышению остаточных напряжений в сетях 6-10 кв систем электроснабжения металлургических предприятий (стр. 1 )

УДК 621.3:669.019.3.001.573(043.3)

На правах рукописи

ЕГОРОВА МАРИНА СЕРГЕЕВНА

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА И РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В СЕТЯХ 6-10 кВ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва 2009

Работа выполнена на кафедре Электроснабжения промышленных предприятий Московского энергетического института (технического университета).

Научный руководитель:

канд. техн. наук, доцент Валерий Михайлович Пупин

Официальные оппоненты:

докт. техн. наук, профессор Андрей Валентинович Егоров

канд. техн. наук Евгений Зиновьевич Зайцев

Ведущее предприятие: электрометаллур-

гический комбинат»

Защита диссертации состоится «18» июня 2009 г. в аудитории М 611 в 16 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: ул. Красноказарменная, д. 13.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью организации) просим направлять , Ученый Совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

Автореферат разослан «____» _______________ 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.02

кандидат технических наук, доцент

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы

За последние 10 лет в связи с увеличением в эксплуатации принципиально новых типов электроприемников повышаются требования к беспе­ребойности их электроснабжения. Эффективное применение таких электроприемников возможно только при соответствующем ужесточении технических требований к качеству электроэнергии (КЭЭ) и надежности питающей сети.

Вопросы повышения уровней остаточных напряжений на шинах распределительных устройств в период как кратковременных нарушений электроснабжения (КНЭ) в энергосистеме, так и переключений на подстанциях с высшим напряжением 750 и 500 кВ в новых экономических условиях очень актуальны. Анализ нарушений электроснабжения, которые привели к остановам основных производств Оскольского электрометаллургического комбината (ОЭМК), связаны с возмущениями, возникающими в энергосистемах ЕНЭС и показывают резкое снижение надежности энергосистем ФСК ЕЭС.

Передача электрической энергии от электростанций к потребителям по воздушным ЛЭП-750, 500 и 330 кВ неизбежно связана с кратко-временными нарушениями электроснабжения потребителей (в виде провалов и исчезновений напряжения), которые возникают из-за старения основных фондов, коротких замыканий (КЗ) в питающих сетях, грозовых повреждений ЛЭП, КЗ в кабельных линиях напряжением 110 и 10 кВ и т. п.

Большой вклад в решение вопросов повышения надежности работы систем промышленного электроснабжения (СПЭ) с мощными СД и АД, преобразовательными агрегатами в цепи питания приводов постоянного тока внесли , , , , P. Anderson, Bollen M. H.J., Wagner C. F. и другие ученые.

Целью работы является разработка математических моделей и программ расчета переходных процессов в системах электроснабжения с замкнутыми контурами и большим числом ГПП-110 кВ, определение критических длительностей КЗ и разработка на основании расчетно-экспери-ментальных исследований технических решений, направленных на уменьшение влияния провалов напряжения при КЗ в питающих сетях на технологические процессы в цехах ОЭМК. Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие теоретические и прикладные задачи:

1.  Мониторинг аварийных режимов на вводах 330, 110, 10 кВ.

2.  Разработка математической модели системы электроснабжения ОЭМК (с числом ветвей 305), включающей 14 подстанций с высшим напряжением 110 кВ, восемь РП напряжением 10 кВ, 3 РП напряжением 6 кВ, 2 ПС 10/6 кВ, 40 ТП, 26 СД, 137 АД и 80 секций распределительных устройств.

3.  Совершенствование программного комплекса по расчету нормальных, аварийных и послеаварийных режимов работы потребителей системы промышленного электроснабжения (СПЭ) при наличии замкнутых контуров.

4.  Разработка методики определения остаточных уровней напряжения в различных точках распределительной сети ,4 кВ.

5.  Расчетно-экспериментальные исследования режимов работы СПЭ ОЭМК, распространения провалов напряжений при КЗ в различных точках сети, при отключении основных автотрансформаторов АТ-2, АТ-3, отключении шиносоединительного выключателя Е-07, включении Е-09 ПС 11Е.

6.  Разработка технических решений, направленных на повышение надежности работы основных потребителей электросталеплавильного, сортопрокатных цехов, цеха металлизации и окомкования, кислородной и компрессорной станций.

Объектом исследования является электрооборудование электростале-плавильного, сортопрокатных цехов, цеха металлизации и окомкования, кислородной и компрессорной станций металлургических предприятий в условиях воздействия кратковременных нарушений в системе электроснабжения.

Научная новизна:

1.  Разработана методика расчета остаточных напряжений в различных точках распределительной сети ,4 кВ сложно-замкнутой схемы СПЭ металлургических предприятий с несколькими источниками питания.

2.  Модернизирован программный комплекс по расчету нормальных, аварийных и послеаварийных режимов работы потребителей СПЭ при наличии замкнутых контуров и большого числа подстанций с высшим напряжением 110 кВ.

3.  Определены критические длительности КЗ для основных производств ОЭМК при внешних и внутренних КЗ в питающей сети комбината с учетом возможного изменения структуры и конфигурации СПЭ, а также режимов работы электродвигательной нагрузки.

4.  Предложен системный подход к повышению эффективности работы сетей ОЭМК, обеспечению устойчивости технологического процесса при кратковременных нарушениях в системе электроснабжения.

Практическая ценность результатов работы

Определена область устойчивости электропотребителей основных производств ОЭМК при внешних и внутренних КЗ в питающей сети при изменении коэффициентов загрузки СД, параметров внешней сети, величины и длительности провалов напряжения в энергосистеме. Проведены экспериментальные исследования провалов напряжения, которые подтвердили достоверность разработанного программного обеспечения. Разработаны концепция и мероприятия по повышению непрерывности технологических процессов при КЗ в питающих сетях, которые позволят исключить негативные последствия от КНЭ.

Реализация результатов работы

Основные результаты работы использованы при модернизации системы электроснабжения ОЭМК в ходе строительства нового завода, разработке техни-ческих мероприятий по повышению устойчивости работы электрооборудования электросталеплавильного, сортопрокатных цехов, цеха металлизации и окомкования, кислородной и компрессорной станций металлургических предприятий в условиях воздействия кратковременных нарушений в системе электроснабжения.

Основные положения, выносимые на защиту:

1.  Методика расчета остаточных напряжений в различных точках распре-делительной сети ,4 кВ сложнозамкнутой схемы системы электро-снабжения металлургических предприятий с несколькими источниками питания.

2.  Математические модели и усовершенствованный программный комплекс по расчету нормальных, аварийных и послеаварийных режимов работы потребителей СПЭ при наличии замкнутых контуров и большого числа подстанций с высшим напряжением 110 кВ.

3.  Результаты экспериментальных исследований провалов напряжений, которые подтвердили правильность отражения физических процессов с помощью разработанной математической модели и программ TKZZK расчета переходных процессов СПЭ с электродвигательной нагрузкой.

4.  Критические длительности КЗ для основных производств ОЭМК при внешних и внутренних КЗ в питающей сети комбината с учетом возможного изменения структуры и конфигурации СПЭ, а также режимов работы электродвигательной нагрузки.

Апробация работы

Основные положения работы и ее результаты докладывались на Всероссийских конференциях «Практика эффективной организации энергоснабжения металлургических предприятий в условиях реструктуризации» (Москва, 15-16 ноября 2006 г.), «Эффективность электрохозяйства потребителей металлургических предприятий в условиях реструктуризации энергетики» (Москва, 13-15 ноября 2007 г.), на научных семинарах кафедры электроснабжения промышленных предприятий МЭИ.

Публикации

По теме диссертационной работы опубликовано 6 печатных статей, в которых отражены основные результаты и выводы, полученные в работе.

Структура и объем работы

Диссертационная работа содержит введение, 4 главы, заключение, список литературы из 143 наименований и 4 приложений. Общий объем работы составляет 202 страниц текста компьютерной верстки.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель, задачи, научная новизна и практическая ценность работы, кратко изложено содержание материалов, рассмотренных в диссертационной работе.

В первой главе проанализированы нормативные документы по провалам напряжений, электропотребители и схемные решения электросталеплавильного, сортопрокатных производств, методы и средства обеспечения надежного и качественного электроснабжения потребителей металлургических предприятий. Выявлены достоинства и недостатки существующих схемных решений ГПП напряжением 330–110 кВ.

Во второй главе приведена разработанная методика расчета остаточных напряжений в различных точках распределительной сети ,4 кВ системы электроснабжения металлургических предприятий с несколькими источниками питания и описан программный комплекс по расчету нормальных, аварийных и послеаварийных режимов работы потребителей СПЭ при наличии замкнутых контуров и большого числа подстанций с высшим напряжением 110 кВ.

Система дифференциальных уравнений СПЭ металлургических предприятий превышает порядка 500 уравнений, используемых для расчета провалов напряжения в сложнозамкнутых сетях металлургических предприятий. Для реализации расчетов использованы упрощенные уравнения Парка-Горева, получившие для подобных целей широкое распространение. Дифференциальные уравнения, описывающие переходные процессы в СД, состоят из четырех уравнений:

-  электромеханических переходных процессов

, (1)

; (2)

- электромагнитных переходных процессов по продольной оси

; (3)

- электромагнитных переходных процессов по поперечной оси

, (4)

где угол между поперечной осью ротора и синхронно вращающейся осью (в качестве которой принимаем вектор ЭДС электрической системы) , g - угол между векторами напряжения на выводах СД и ЭДС электрической системы; - синхронная угловая частота сети; - электромеханическая постоянная времени агрегата двигатель-механизм; - постоянные времени переходного и сверхпереходного процессов по оси СД при короткозамкнутой статорной обмотке; - угловая частота вращения ротора СД; - постоянная времени контура рассеяния демпферной обмотки; - постоянная времени переходного процесса по поперечной оси при короткозамкнутой статорной обмотке.

Основные параметры режима АД определяются следующей системой дифференциальных уравнений

, (5)

где - электромеханическая постоянная времени агрегата двигатель-механизм; - частота вращения ротора двигателя; и - момент сопротивления механизма и электромагнитный момент; - частота вращения ротора в установившемся режиме, определяемая как ; где - номинальное скольжение АД; - активная мощность, потребляемая двигателем из сети; - синхронная частота напряжения на выводах двигателя; - начальный момент сопротивления механизма, т. е. при ; - показатель степени, характеризующий зависимость момента сопротивления механизма от частоты вращения; - коэффициент загрузки двигателя.

Методика расчета характеристик провала напряжения (ПН) включает.

1. Моделирование реальной структуры и конфигурации СПЭ с учетом фактического режима работы электрооборудования, подключенного вплоть до шин 0,4 кВ. Модель исследуемой СПЭ должна отражать ее так подробно, чтобы выполненные расчеты дали возможность определять не только напряжения, токи, мощности в интересующих узлах, но и отклонения этих параметров от нормальных установившихся значений. Для этого был использован программный комплекс URRZK.

2. Математическую модель расчета переходных процессов при КЗ, основанную на системе (1)-(4) дифференциальных уравнений пятого порядка для учета каждого СД; систему из трех дифференциальных уравнений (5) для учета каждого асинхронного двигателя.

3. Программный комплекс расчетов переходных электромагнитных и электромеханических процессов в системах электроснабжения промышленных предприятий, модернизированный для СПЭ металлургических предприятий. Математическая модель энергосистемы и СПЭ предприятия должна включать все источники питания (задаваемые своими параметрами), линии, трансформаторы, реакторы, нагрузки каждой ГПП, РП, ПС напряжением 110, 10, 6 и 0,4 кВ, параметры средств защиты и автоматики,

4. Моделирование произвольного места КЗ в схеме замещения СПЭ, любой вид КЗ и сопротивление в месте КЗ. Для этого использовались программные комплексы TKZ1ZK, TKZ2ZK, TKZ3ZK, TKZ11ZK.

5. Моделирование состояния коммутационных аппаратов, работы средств РЗА, учет топологических изменений в промышленной сети в соответствии с логикой работы РЗА на этапах КЗ, выбега после отключения КЗ и при восстановлении нормального электроснабжения.

6. Автоматизация результатов расчетных исследований (путем разработки программных модулей автоматического вывода графиков напряжений всех секций РУ, параметров режима работы (активной и реактивной мощностей, токов, напряжения) задаваемых секций узлов нагрузки).

Программный комплекс TKZZK предназначен для исследований переходных процессов в системах промышленного электроснабжения с электродвигатель­ной нагрузкой, содержащих замкнутые контуры (вызванные наличием двух и более источников питания и линий связи между ними) при возникновении кратковременных возмущающих воздействий произвольного характера (короткие замыкания, отключения) и места их приложения (рис. 1).

Комплекс TKZZK состоит из отдельных программ и предназначен для:

ü  моделирования систем электроснабжения предприятия при наличии замкнутых контуров, расчета исходного установившегося режима;

ü  расчета режима двигателей и СПЭ, наступившего в результате однофазных, двухфазных, двухфазных на землю и трехфазных КЗ в питающих сетях напряжением 110-750 кВ с моделированием произвольного места КЗ (TKZ1ZK, TKZ2ZK, ТKZ1_1, TKZ3ZK). Комплекс состоит из подпрограмм, основное назначение которых (рис. 1):

- ввод данных по параметрам исходного установившегося режима нормальной схемы электроснабжения СПЭ, загрузке двигателей, характери-стикам приводимых ими механизмов, состоянию выключателей в режиме КЗ;

- ввод данных по месту, сопротивлению и номинальному напряжению в точке КЗ;

- расчет матрицы пути и идентификации подключения секций;

- расчет узловых сопротивлений от узла КЗ;

- определение базисного напряжения ветви для узла КЗ;

- определение узловых напряжений и сопротивлений нулевой (обратной) последовательности;

- нахождение параметров секций и двигателей для режима выбега на КЗ для заданной длительности аварийного режима;

ü  расчета режима восстановления электроснабжения всех подключенных узлов нагрузки, включая двигатели и потребители СПЭ;

Программы комплекса TKZZK написаны на языке Visual Fortran, функционируют в операционной системе WINDOS XP, не требуя для своей работы никаких научных программ. В программном комплексе TKZ устранены зацикливания и ошибки при расчете параметров установившегося режима, активных и реактивных мощностей узлов нагрузки, обеспечен выбор начальных параметров и коэффициентов ускорения при расчете методом последовательных приближений. Максимальный объем исследуемых систем электроснабжения: 200 узлов нагрузки; 999 ветвей схемы замещения; 450 выключателей; 250 АД; 125 СД различных типов. Программа TKZ2ZK занимает 2,68 Мб памяти, программа TKZ3ZK занимает 2,57 Мб памяти, программа SZZK занимает 3,93 Мб памяти.

Для автоматизации расчетных исследований разработаны программные модули вывода напряжений всех секций СПЭ в виде графиков, автоматиче-ского формирования кривых напряжений для режимов выбега на КЗ, выбега после отключения КЗ и самозапуска электродвигательной нагрузки, а также параметров режимов работы задаваемых узлов нагрузки.

Расчетно-экспериментальные исследования выполнены на примере ОЭМК. Электроснабжение ОЭМК осуществляется от двух основных питающих подстанций – «Металлургическая 750» (ПС 750/500/330/110) и «Старый Оскол 500» (ПС 500/330 и 500/110), являющимися центрами питания первого уровня. Основное питание ПС «Металлургическая 750» осуществляется по ВЛ напряжением 750 кВ от Курской АЭС (КАЭС). На подстанции установлено 2х(3х333 МВА) автотрансформатора напряжением 750/330 кВ. Распределительное устройство (РУ) напряжением 330 кВ выполнено по схеме с двумя системами шин и числом выключателей на присоединении 3/2.

Автотрансформаторы работают параллельно, а к РУ-330 кВ подключены: две воздушные ЛЭП-330 кВ до ГПП 330/110 кВ и два автотрансформатора 2х200 МВА с трансформацией напряжения 330/110 кВ. К автотрансформаторам со стороны напряжения 110 кВ подключены воздушные ЛЭП напряжением 110 кВ до ПС «Голофеевка» на напряжении 110 кВ, являющейся центром питания второго уровня.