Введение к работе
Актуальность темы. Интенсивная электрификация месторождений полезных ископаемых в регионах Сибири и Дальнего Востока России обеспечивает нарастающие темпы добычи, транспортировки и первичной переработки природных ресурсов (нефть, газ, полиметаллы, алмазы и т.д.). Электрификация условно разделяется на потребление электроэнергии и на электроснабжение, которое обеспечивается по замкнутым электрическим сетям от 6 до 35 кВ, получающим питание от электростанций собственных нужд и по воздушным линиям (ВЛ) 110 кВ и выше Северных электрических сетей (далее сетей) или региональных электроэнергетических систем примыкающих территорий. Процесс электроснабжения сосредотачивается в узлах нагрузки (УН), которые представляют совокупность электроприёмников (ЭП), получающих питание от шин (6–10) кВ крупной подстанции.
Замкнутые сети от 6 до 35 кВ в значительной мере связаны с особенностями технологических процессов и характером воздействия окружающей среды. Количество технологических нарушений в этих сетях от двух до семи раз больше, чем в промышленно развитых регионах России с умеренным климатом. Такая ситуация объясняется не только тяжёлым по своим последствиям гололёдно-ветровым воздействием, но и сложной электромагнитной обстановкой (ЭМО), обусловленной нестандартными уровнями электромагнитной совместимости (ЭМС) для кондуктивных электромагнитных помех (ЭМП), распространяющихся по сетям. Качество функционирования этих сетей не соответствует требованиям эксплуатации, так как не обеспечивается устойчивость УН по напряжению. К тому же проблема ЭМС обостряется ещё из-за внедрения вакуумных выключателей (ВВ) вместо масляных выключателей. К недостаткам ВВ относится их способность генерировать в момент коммутации значительные импульсные напряжения. Исследования Горелова В.П., Сальникова В.Г., Овсянникова А.Г., Лизалека Н.Н., Манусова В.З., Ивановой Е.В. и др. охватывают различные аспекты обеспечения ЭМС технических средств. Однако, рассматриваемая проблема многогранна и одна из научно технических задач – обеспечение устойчивости узлов нагрузки по напряжению в замкнутых сетях от 6 до 35 кВ особенно актуальная для северных месторождений полезных ископаемых, не решена (отсутствуют соответствующие стандарт, концепция или руководящие указания).
Актуальность темы диссертации обусловливается также потребностью в развитии регионов Сибири и Дальнего Востока России.
Объектом исследования являются замкнутые электрические сети от 6 до 35 кВ северных месторождений полезных ископаемых. Базовым регионом исследования представлено Ямбургское месторождение газа.
Предметом исследования является устойчивость узлов нагрузки по напряжению в замкнутых сетях от 6 до 35 кВ северных месторождений полезных ископаемых.
Связь темы диссертации с общенаучными (государственными) программами и планом работы академии. Работа выполнялась в соответствии: с научными направлениями технического комитета № 77 Международной электротехнической комиссии (МЭК), с научной целевой комплексной темой «Разработка мероприятий по повышению надёжности работы оборудования в условиях пониженных температур» (гос. регистр. № 0188.0004.137) и планом НИОКР «Электромагнитная совместимость технических средств» (гос. регист. №01200956736) ФБОУ ВПО «НГАВТ».
Идея работы заключается в установлении углублённых связей между устойчивостью узла нагрузки и кондуктивной ЭМП по установившемуся отключению напряжения, воздействуя на которые можно повысить качество функционирования замкнутой сети от 6 до 35 кВ за счёт обеспечения ЭМС технических средств.
Целью работы является разработка научных положений и рекомендаций, позволяющих обеспечить устойчивость узлов нагрузки по напряжению замкнутых сетей от 6 до 35 кВ северных месторождений полезных ископаемых. Для достижения этой цели в работе ставились и решались следующие взаимоувязанные задачи:
обоснования требований к измерительной аппаратуре и методического подхода к осциллографированию коммутационных импульсных напряжений при коммутации вакуумным выключателем кондук-тивной нагрузки (индуктивности) как «идеальным ключём коммутации»;
экспериментальные исследования влияния параметров кабельной линии присоединения (предельно длинной) при коммутации ВВ отечественного производства на коммутационные импульсные напряжения в конце линии и вероятностей появления сверх допустимого значения коммутационных импульсных напряжений;
определение запаса устойчивости обобщённого для региона исследования узла нагрузки по напряжению в замкнутой сети 10 кВ;
решение задачи по определению рациональных мест размыкания замкнутых сетей от 6 до 35 кВ при сложной электромагнитной обстановке (ЭМО);
разработка математической модели для расчёта электродвижущей силы (ЭДС) эквивалентного генератора схемы замещения системы электроснабжения (СЭС), влияющей на устойчивость узла нагрузки;
разработка математических моделей для расчёта коэффициента запаса устойчивости узла нагрузки в зависимости от вида (знака) кон-дуктивной ЭМП по установившемуся отклонению напряжения;
разработка алгоритма расчёта уставки регулятора напряжения в центре питания разомкнутой части замкнутой сети от 6 до 35 кВ, при которой обеспечивается устойчивость узлов нагрузки;
выбор методик технико-экономического обоснования мероприятий по ограничению коммутационных импульсных напряжений и расчёта затрат (услуг) на экспертизу электромагнитной обстановки в узлах нагрузок, имеющих немонопольный характер.
Методы исследования. В процессе выполнения исследований применялись: научно-техническое обобщение литературных источников по исходным предпосылкам исследований, методы теоретических основ электротехники и теории электрических сетей, методы математической статистики и теории вероятностей (теории планирования эксперимента, теории ошибок), метод аналитических исследований (гармонический анализ), рекомендованные Госстандартом России методы и средства измерения уровней ЭМС для кондуктивных ЭМП.
На защиту выносятся:
-
Результаты экспериментального исследования коммутационных импульсных напряжений, возникающих при коммутации ВВ отечественного производства индуктивной нагрузки, характерной для региона исследования (трансформатора типа ТМ 1000 10/0,4 кВ в режиме холостого хода).
-
Решение задачи по определению рациональных мест размыкания замкнутых сетей от 6 до 35 кВ, имеющих кондуктивные ЭМП по установившемуся отклонению напряжения.
-
Эмпирическая математическая модель для определения ЭДС эквивалентного генератора схемы замещения СЭС узла нагрузки при сложной ЭМО в электроэнергетической системе.
-
Эмпирические математические модели для расчёта коэффициента запаса устойчивости узла нагрузки в зависимости от вида (знака) кондуктивной ЭМП по установившемуся отклонению напряжения.
5 Алгоритм расчёта уставки регулятора напряжения в центре питания разомкнутой части замкнутой сети от 6 до 35 кВ.
Достоверность исследования. Научно обоснованы требования к измерительным системам и методический подход к осциллографирова-нию переходных процессов. Результаты экспериментальных исследований, полученные на сертификационном оборудовании, обрабатывались методами математической статистики и теории вероятностей. Исследовались погрешности расчётов по полученным эмпирическим математическим моделям (с вероятностью 0,95 относительные ошибки расчётов не превышают ±10%).
Теоретическое обоснование решения задач исследования (идея) базируется на изучении углублённых связей устойчивости узла нагрузки и кондуктивной ЭМП по установившемуся отклонению напряжения методами теории устойчивости ЭЭС и теории кондуктивных ЭМП, распространяющихся по сетям.
Научная новизна диссертации. Разработана концепция обеспечения устойчивости узлов нагрузки по напряжению путём подавления кондуктивных ЭМП в замкнутых электрических сетях от 6 до 35 кВ северных месторождений полезных ископаемых, обогащающая теорию ЭМС технических средств. В рамках сформулированных задач исследования научные положения характеризуются тем, что впервые:
решена задача по определению рациональных мест размыкания замкнутых сетей при условиях, обусловленных сложной электромагнитной обстановкой;
разработана эмпирическая математическая модель для определения ЭДС эквивалентного генератора схемы замещения СЭС узла нагрузки как интегрального показателя, позволяющая прогнозировать возможность ЭЭС обеспечивать устойчивость узла нагрузки по напряжению;
получены эмпирические математические модели для расчёта коэффициента запаса устойчивости узла нагрузки в зависимости от вида (знака) кондуктивной ЭМП по установившемуся отклонению напряжения, характеризующего ЭМС технических средств в электрической сети;
представлен алгоритм расчёта уставки регулятора напряжения в центре питания разомкнутой части замкнутой сети, учитывающей влияние кондуктивной ЭМП по установившемуся отклонению напряжения на устойчивость узла нагрузки.
Теоретическая значимость работы заключается в развитии теории ЭМС технических средств в замкнутых сетях от 6 до 35 кВ. Раскрыто существенное влияние кондуктивных ЭМП, распространяющихся по сетям, на устойчивость узлов нагрузки по напряжению. Изучены связи данного явления. В результате разработаны эмпирические математические модели, позволяющие использовать раскрытые возможности для повышения качества функционирования технических средств.
Практическая значимость. Внедрение на межотраслевом уровне следующих научных положений и рекомендаций в проектную и эксплуатационную практику обеспечивает устойчивость узлов нагрузки по напряжению, повышающую качество функционирования замкнутых сетей от 6 до 35 кВ северных месторождений полезных ископаемых:
концепция решения задачи по определению рациональных мест размыкания замкнутых сетей от 6 до 35 кВ;
эмпирические математические модели для прогноза ЭДС эквивалентного генератора схемы замещения узла нагрузки и для расчёта коэффициента запаса устойчивости узла нагрузки;
алгоритм расчёта уставки регулятора напряжения в центре питания разомкнутой части замкнутой сети;
рекомендованные методики технико-экономического обоснования мероприятий по ограничению коммутационных импульсных напряжений при внедрении ВВ и расчёта затрат (услуг) на экспертизу ЭМО в узлах нагрузки, имеющих немонопольный характер.
Реализация работы. Разработанные в диссертации научные положения внедрены в: ЗАО «Институт автоматизации энергетических систем» (г. Новосибирск) с годовым экономическим эффектом 570 тыс. руб. при сроке окупаемости капиталовложений до 2 лет; ООО «Производственное научное предприятие Болид» (г. Новосибирск) с годовым экономическим эффектом 530 тыс. руб. при сроке окупаемости капитальных вложений около 1,5 года; в учебном процессе на кафедре «Электроэнергетические системы и электротехника» ФБОУ ВПО «НГАВТ» и на кафедре «Электроснабжение промышленных предприятий» ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: XII всероссийском совещании в рамках XII международной выставки – конгресса «Энергосбережение – 2011» (9 ноября 2011 г., г. Томск); Х международной научно-практической конференции в рамках выставки «Энергетика и электро-
техника – 2011 (18 ноября 2011 г., г. Екатеринбург); на постоянно действующем научно-техническом семинаре по электроэнергетике при ФБОУ ВПО «НГАВТ» (г. Новосибирск, 2008 – 2011 гг.).
Личный вклад. Решения задач исследования, научные положения, вынесенные на защиту, основные выводы и рекомендации принадлежат автору. Личный вклад в работах, опубликованных в соавторстве показан в Приложении А к диссертации и составляет не менее 50%.
Публикации. Результаты выполненных исследований изложены в 13 научных трудах, в том числе: 8 статей в периодических изданиях по перечню ВАК РФ, 3 статьи в материалах конференций, 2 отчёта о НИР.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы, включающего 128 наименований и приложений. Изложена на 153 страницах машинописного текста, содержит 37 рисунков и 23 таблицы.
