Содержание к диссертации
Введение
1 Выбор параметров независимости и надежности взаимно резервирующих источников питания при авариях в системах централизованного электроснабжения 12
1.1 Причины и параметры кратковременных нарушений электроснабжения потребителей 12
1.2 Характеристики чувствительности электротехнической системы к кратковременным нарушениям электроснабжения 24
1.3 Характеристики устойчивости электротехнической системы Астраханского газоперерабатывающего завода при кратковременных нарушениях электроснабжения 28
1.4 Характеристики устойчивости электротехнической системы Оренбургского газоперерабатывающего завода при кратковременных нарушениях электроснабжения 38
1.5 Параметры независимости и надежности взаимно резервирующих
источников питания 47
2 Разработка методов и методик по определению параметров независимости и надежности взаимно резервирующих источников питания 50
2.1 Определение параметров независимости и надежности взаимно резервирующих источников питания на стадии эксплуатации 50
2.2 Пример определения параметров независимости и надежности взаимно резервирующих источников питания по данным эксплуатации 53
2.3 Особенности определения параметров независимости и надежности взаимно резервирующих источников питания на стадии проектирования з
2.4 Методики компьютерного моделирования для определения параметров независимости и надежности взаимно резервирующих источников питания 62
2.4.1 Экспресс-методика определения показателей независимости источников питания 62
2.4.2 Методика определения показателей надежности и независимости источников питания при симметричных коротких замыканиях 65
2.4.3 Оценка взаимной зависимости источников питания систем промышленного электроснабжения с учетом несимметричных возмущений во внешних электрических сетях 70
2.4.4 О влиянии переходных процессов на оценку взаимной зависимости источников питания 79
3 Компьютерное моделирование аварийных режимов в системах централизованного электроснабжения нефтегазовых производств и определение независимости и надежности источников питания 90
3.1 Моделирование аварийных режимов и определение надежности и независимости источников питания системы внешнего электроснабжения Астраханского ГПЗ 90
3.2 Моделирование аварийных режимов и определение надежности и независимости источников питания системы внешнего электроснабжения Оренбургского ГПЗ 99
3.3 Моделирование аварийных режимов и определение надежности и независимости источников питания системы внешнего электроснабжения Московского НПЗ 108
3.4 Рекомендации по нормированию показателей надежности и
независимости источников питания 126
4 Рекомендации по повышению надежности работы электротехнических систем нефтегазовых производств при авариях в системах централизованного электроснабжения 131
4.1 Мероприятия по повышению бесперебойности работы потребителей при кратковременных нарушениях электроснабжения 131
4.2 Технические средства повышения бесперебойности работы потребителей при кратковременных нарушениях электроснабжения 140
4.2.1 Быстродействующий автоматический ввод резерва 143
4.2.2 Динамические компенсаторы искажений напряжения 146
4.2.3 Источники бесперебойного питания 148
4.3 Особенности применения автономных генераторов в качестве независимого источника питания в системах с централизованным электроснабжением 156
4.4 Примеры повышения надежности электроснабжения промышленных предприятий при авариях в системах централизованного электроснабжения 164
4.4.1 Повышение надежности электроснабжения Астраханского ГПЗ 164
4.4.2 Повышение надежности электроснабжения Оренбургского ГПЗ 166
4.4.3 Повышение надежности электроснабжения Московского НПЗ 168
Заключение 170
Список литературы
- Характеристики чувствительности электротехнической системы к кратковременным нарушениям электроснабжения
- Пример определения параметров независимости и надежности взаимно резервирующих источников питания по данным эксплуатации
- Моделирование аварийных режимов и определение надежности и независимости источников питания системы внешнего электроснабжения Оренбургского ГПЗ
- Технические средства повышения бесперебойности работы потребителей при кратковременных нарушениях электроснабжения
Введение к работе
Актуальность темы. Проблема обеспечения надежности и устойчивости работы электротехнических систем и технологических процессов является актуальной для ряда отраслей экономики страны, включая непрерывные производства нефтяной и газовой промышленности. Во многом проблемы устойчивости промышленных электротехнических систем обусловлены определенным функциональным несоответствием мощных потребителей электрической энергии, особенно, объектов с большой долей электродвигательной нагрузки, и источников питания систем электроснабжения. Представляется, что по мере дальнейшего развития и усложнения технологических процессов в промышленности эти проблемы будут только обостряться.
Вынужденные отключения электрооборудования непрерывных производств чаще всего обусловлены короткими замыканиями (КЗ) в электрических сетях, проявляющимися в виде провалов напряжения в узлах нагрузки и на вводах электроприемников, длительность которых, как правило, составляет от десятых долей до нескольких секунд. Несмотря на кратковременность, такие возмущения приводят к самоотключению и/или нарушению устойчивости промышленных электротехнических систем (ЭТС) с электродвигательной нагрузкой. Вызванные кратковременными нарушениями электроснабжения (КНЭ) аварийные остановы нефтегазовых производств зачастую сопровождаются не только недоотпуском товарной продукции, но и сбросом сырья на факел и, как следствие, значительными экологическими последствиями.
В системах централизованного электроснабжения, сети которых имеют
замкнутую структуру, глубокие провалы напряжения часто возникают
одновременно на всех источниках. Таким образом, источники питания систем
централизованного электроснабжения потребителей, критичных к
кратковременным нарушениям электроснабжения, не являются в полном смысле слова независимыми.
Выбор противоаварийных мероприятий и технических решений, направленных на повышение устойчивости работы электротехнических систем непрерывных производств, во многом зависит от показателей надежности системы внешнего электроснабжения, особенно от степени независимости источников питания. Неправильная оценка взаимной зависимости источников питания, может стать причиной выбора неэффективных и дорогостоящих мероприятий по обеспечению надежности, и, как следствие, причинения предприятию значительного экономического ущерба.
Вопросы оценки степени независимости источников питания электротехнических систем исследованы в ряде научных работ, при этом часть вопросов оценки независимости источников требует дальнейшего изучения и решения. В частности, существующие методики направлены скорее на качественное, нежели количественное определение степени взаимной зависимости источников питания и требуют дальнейшей проработки. Дополнительного изучения требует вопрос оценки влияния несимметричных аварийных возмущений и происходящих при этом переходных процессов в системах промышленного электроснабжения на показатель независимости.
Представленная работа посвящена исследованию методик количественной оценки степени независимости источников питания, разработке предложении по их модернизации, апробации полученных выводов и разработке рекомендаций по
снижению чувствительности электротехнических систем промышленных предприятий к кратковременным нарушениям электроснабжения, что является актуальной научной и технической задачей.
Цель работы заключается в развитии методов оценки независимости источников питания систем централизованного электроснабжения, способствующих разработке эффективных решений для повышения надежности и устойчивости электротехнических систем непрерывных производств.
Для достижения указанной цели в работе были решены следующие основные задачи:
-
На основании анализа экспериментальных данных и обзора литературных источников определены характерные диапазоны и установлены вероятностные оценки параметров провалов напряжения в основных узлах систем централизованного электроснабжения промышленных производств, которые могут быть использованы в качестве исходных данных при моделировании режимов и процессов промышленных электротехнических систем;
-
Разработаны рекомендации по расширению набора показателей независимости и надежности взаимно резервирующих источников питания;
-
Разработана новая модификация метода оценки независимости источников питания, учитывающая несимметричные аварийные возмущения в системах централизованного промышленного электроснабжения;
-
Для систем электроснабжения крупных нефтегазовых производств выполнено компьютерное моделирование и анализ показателей надежности и независимости источников питания;
-
Даны предложения по нормированию показателей надежности и независимости источников питания и систематизированы рекомендации по повышению устойчивости работы электротехнических систем промышленных объектов при авариях в системах централизованного электроснабжения.
Объектами исследования в представленной работе являются электротехнические системы предприятий нефтегазовой промышленности с непрерывными технологическими процессами и системы их электроснабжения.
Методы исследования. В работе использовались положения и методы теории электрических цепей, теории электрических машин и электропривода, математического и компьютерного моделирования электротехнических систем, теории устойчивости ЭТС, основ теории надежности.
Научная новизна результатов исследований:
-
Предложенный набор показателей независимости и надежности взаимно резервирующих источников питания связывает эти показатели с параметрами устойчивости ЭТС и расширяет возможности оценки эффективности систем электроснабжения путем включения вероятностно-статистических показателей критических кратковременных нарушений электроснабжения, подлежащих определению, как в процессе проектирования, так и в процессе эксплуатации систем электроснабжения предприятий.
-
Предложенная модификация метода оценки независимости источников питания, отличается учетом не только трехфазных, но и наиболее частых несимметричных аварийных возмущений в системах промышленного централизованного электроснабжения, что позволило более полно учесть влияние характера возмущений на показатели независимости и надежности источников питания.
3. Выполненный анализ результатов моделирования систем электроснабжения нефтегазовых производств, позволил установить закономерности влияния параметров источников, структуры электрических сетей и переходных процессов на выбранные показатели, выделить характерные области сетей, аварии в которых вызывают критические возмущения в основных узлах электрической нагрузки предприятий, предложить рекомендации по нормированию надежности и независимости источников питания, систематизировать рекомендации по повышению надежности работы промышленных электротехнических систем при авариях в системах централизованного электроснабжения.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
Предложения по расширению набора показателей надежности и независимости взаимно резервирующих источников, включая вероятностно-статистические показатели критических кратковременных нарушений электроснабжения, связывающие эти показатели с параметрами устойчивости промышленных электротехнических систем.
-
Метод и методика оценки независимости источников питания, учитывающая характер аварийных (симметричных и несимметричных) возмущений в системах промышленного электроснабжения.
-
Результаты моделирования систем электроснабжения нефтегазовых производств и установленные закономерности влияния параметров источников, структуры электрических сетей и переходных процессов на выбранные показатели.
4. Предложения по нормированию показателей надежности и независимости
источников питания и систематизированные рекомендации по повышению
надежности и устойчивости работы промышленных электротехнических систем
при авариях в системах централизованного электроснабжения.
Обоснованность и достоверность результатов обеспечиваются хорошей сходимостью расчетных и эксплуатационных результатов, использованием апробированных методов компьютерного моделирования электроэнергетических систем, апробированных программных средств расчёта режимов систем внешнего электроснабжения.
Практическая значимость работы.
1. В набор показателей независимости и надежности взаимно резервирующих
источников питания предложено включить вероятностно-статистические
показатели критических кратковременных нарушений электроснабжения, которые
расширяют возможности оценки эффективности систем электроснабжения,
позволяют объективно и наиболее полно оценивать надежность и независимость
источников и систем электроснабжения по отношению к требованиям
технологического процесса производства.
2. Методика оценки независимости источников питания, учитывающая
характер аварийных возмущений в системах промышленного электроснабжения,
позволяет получить более точные, соответствующие практике эксплуатации
показатели надежности и независимости источников питания систем
промышленного электроснабжения, что дает возможность выработать более
обоснованные решения, направленные на повышение устойчивой работы
электротехнических систем, чувствительных к кратковременным нарушениям
электроснабжения.
3. Для ряда крупных нефтегазовых производств предложены и реализованы
наиболее перспективные технические решения повышения надежности
электроснабжения промышленных объектов, чувствительных к кратковременным нарушениям электроснабжения.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы
докладывались и обсуждались на 65-ой Международной научной студенческой
конференции "НЕФТЬ И ГАЗ - 2011" (Москва, 2011); Девятой Всероссийской
конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой
промышленности "Новые технологии в газовой промышленности" (Москва, 2011);
66-ой Международной научной студенческой конференции "НЕФТЬ И ГАЗ - 2012"
(Москва, 2012); Юбилейной десятой Всероссийской конференции молодых ученых,
специалистов и студентов "Новые технологии в газовой промышленности" (газ,
нефть, энергетика) (Москва, 2013); І Міжнародної науково-технічної конференції
викладачів, аспірантів і студентів "Сучасні проблеми систем електропостачання
промислових та побутових об'єктів" (Донецк, 2013); Научно-технической
конференции молодых ученых «Электротехнические комплексы и системы в
нефтяной и газовой промышленности» (Москва, 2013); Ш-ей Всероссийской
научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов "Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов" (Тольятти, 2014); Х-ой Всероссийской научно-технической конференции "Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России" (Москва, 2014); Одиннадцатых Международных научных Надировских чтениях «Альтернативная энергетика и энергосбережение в нефтегазовом комплексе» (Атырау, 2014); ХХ-ой Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: эффективность, надежность, безопасность» (Томск, 2014).
Публикации. По теме диссертации опубликовано четырнадцать печатных работ, в том числе, четыре в изданиях, рекомендованных ВАК МОН РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 69 наименований, 3 приложений. Работа изложена на 186 страницах машинописного текста и содержит 41 рисунок и 30 таблиц.
Характеристики чувствительности электротехнической системы к кратковременным нарушениям электроснабжения
Отметим, что поражаемость разрядами молнии каждой из двух одинаковых воздушных линий, идущих в одном коридоре, не повышается, как можно было ожидать, а наоборот снижается [20] из-за экранирующего действия линий друг на друга.
Традиционно, грозозащита воздушных линий электропередач 110-750 кВ с металлическими и железобетонными опорами строится на использовании грозозащитных тросов и заземлении опор. Согласно Правилам устройства электроустановок, сооружение ВЛ 110-500 кВ или участков без использования грозозащитных тросов допускается только в особых случаях:
При этом число грозовых отключений линии для вышеперечисленных случаев, определенное расчетом с учетом опыта эксплуатации, не должно превышать без усиления изоляции трех в год для ВЛ 110-330 кВ и одного в год — для В Л 500 кВ.
Особое внимание уделяется электроснабжению объектов добычи и транспорта нефти и газа, для которых запрещается сооружение воздушных линий 110—220 кВ без защиты от прямых ударов молнии тросами по всей длине (независимо от интенсивности грозовой деятельности и удельного эквивалентного сопротивления земли) [23]. Согласно классификации [20] рекомендуется грозозащиту ВЛ осуществлять по категории «В».
Отсутствие троса даже на ограниченном участке линии может существенно снижать грозоупорность В Л в целом. Негативные последствия грозовых отключений при ударах молнии в провод усугубляются повреждениями изоляции. Как показывает опыт эксплуатации, фактическое число грозовых отключений ВЛ без тросов зачастую превышает регламентируемые нормы. Грозовые отключения ВЛ без тросов обусловлены в основном прямыми ударами молнии в провод, которые приводят к перекрытию изоляции с вероятностью, близкой к единице, даже для В Л 500 кВ. Для защиты таких В Л используют вентильные и трубчатые разрядники [24]. На сегодняшний день применение таких средств защиты является малоэффективным [25]. При проверке разрядников обслуживающий персонал зачастую сталкивается с их неисправностями, свидетельствующими о выработанном ресурсе.
В настоящее время в России идет процесс апробации и сравнения технологий защиты воздушных линий электропередач от грозовых перенапряжений. В периодической литературе предлагается в качестве наиболее эффективной меры повышения грозоупорности ВЛ применение ограничителей перенапряжения (ОПН), устанавливаемых на опорах ВЛ. Существующая статистика применения ОПН в странах Европы и Японии, показывает высокую надежность защиты ВЛ от индуцированных импульсов, хотя при прямых ударах молнии в токоведущий провод ограничители перенапряжения часто выходят из строя [22].
Согласно [3] по отношению к узлам промышленной электрической нагрузки кратковременные нарушения электроснабжения могут характеризоваться уровнем остаточного напряжения (или значением провала напряжения) в узле при возмущении в системе его электроснабжения. Однако, поскольку возмущающие воздействия характеризуются не только глубиной, но и длительностью, то критические параметры возмущений должны характеризоваться не только предельной глубиной, но предельной длительностью провалов напряжения.
Выше отмечено, что следствием кратковременного провала напряжения зачастую является самоотключение двигателей напряжением до 1 кВ и нарушение устойчивости электротехнической системы объекта.
Как было сказано ранее, самоотключение нерегулируемых электродвигателей с управлением на электромеханических аппаратах происходит из-за отпадания магнитных пускателей и контакторов при снижении напряжения питания их катушек на 30-50 % от номинального значения.
Применение частотно-регулируемых электроприводов не полностью решает проблему самоотключения электродвигателей, хотя и облегчает режим их последующего пуска. Отключение преобразователей частотно-регулируемых электроприводов происходит при снижении напряжения питания на 20-50% на время 2-5 мс. Предлагается критические параметры (глубину и длительность) провалов напряжения устанавливать исходя из параметров устойчивости электротехнических систем. Устойчивостью называется способность электротехнической системы возвращаться к установившемуся нормальному режиму после различного рода возмущений [4, 26]. Наиболее полной характеристикой устойчивости электротехнической системы является граница устойчивости, определяемая зависимостью t{u): допустимого времени t (с) нарушения электроснабжения от величины остаточного напряжения и— 1 — Аи (о.е.). Достаточно точно данная граница определяется двумя параметрами: и о.е. - напряжением статической устойчивости ЭТС (минимально допустимым напряжением, при котором сохраняется установившийся рабочий режим системы) и to, с - временем динамической устойчивости (максимально допустимым временем полного провала напряжения (исчезновения напряжения), после которого система сохраняет устойчивость). Указанные параметры подлежат определению в ходе расчета переходных электромеханических процессов рассматриваемой электротехнической системы [4]. В явном виде граница динамической устойчивости может быть выражена формулой [4, 27].
Максимально возможное использование запаса устойчивости электротехнической системы обеспечивается в том случае, если защита от потери питания срабатывает по факту попадания параметров КНЭ в область М. В этом случае область S кратковременных нарушений электроснабжения (рисунок 1.4), при которых происходят отключения узла нагрузки, совпадает с областью М и необоснованных отключений нагрузки электротехнической системы не происходит. Рисунок 1.4- Распределение возмущений на классификационные зоны
При критических провалах напряжения, по своим параметрам попадающим в область М, нагрузка системы должна быть отключена защитой минимального напряжения. При использовании одноступенчатой защиты минимального напряжения с независимой характеристикой рациональным ориентиром для выбора уставки иЗШ1 и выдержки времени t3mi защиты могут служить условия
Мзмн Мсу з змн о В этом случае область S представляет собой зону, ограниченную характеристикой защиты минимального напряжения, которая включает область М и минимально превышает ее, обеспечивая минимум необоснованных отключений электродвигательной нагрузки электротехнической системы.
Основными рабочими машинами с электроприводами являются насосы и компрессоры. Основная часть электрической нагрузки Астраханского ГПЗ является электродвигательной. Большая часть приводов выполнена на асинхронных двигателях с короткозамкнутым ротором. В отличии от Оренбургского ГПЗ доля синхронной нагрузки на Астраханском ГПЗ невелика. Значительная часть асинхронных двигателей представлена машинами с номинальным напряжением свыше 1000 В. Доля двигателей на напряжение 6 и 10 кВ в общей установленной мощностью электродвигательной нагрузки превышает 80 %. Единичная мощность высоковольтных приводов составляет от 200 до 8500 кВт. Все мощные асинхронные электроприводы имеют рабочие механизмы с вентиляторным характером нагрузки. Поршневые тихоходные приводы оснащены синхронными двигателями.
Пример определения параметров независимости и надежности взаимно резервирующих источников питания по данным эксплуатации
Оценка параметров осуществляется на основании осциллограмм напряжения, фиксируемых с помощью устройств цифровой регистрации сигналов.
В настоящее время регистрация аварийных процессов в системах электроснабжения крупных промышленных объектов осуществляется с помощью аварийных осциллографов. В частности, на газоперерабатывающих комплексах используются цифровые аварийные осциллографы, подключаемые к основным узлам электрической нагрузки объекта (секции РУ-6(10) кВ ГПП) и запускаемые по факту снижения напряжения в узлах ниже определенного уровня. Значение напряжения, при котором начинается регистрация сигнала, может изменяться пользователем и обычно задается на уровне 0,7-0,9 о.е. Наличие аварийных осциллографов позволяет получить информацию, обеспечивающую возможность оценки выше перечисленных основных показателей независимости и надежности источников питания (1.14-1.17), а также дополнительные статистические параметры, включая значения среднеквадратического отклонения, асимметрии и эксцесса глубины и длительности провалов напряжения.
Ниже приведены характеристики некоторых типов цифровых аварийных регистраторов напряжения: - измеритель-регистратор показателей качества электроэнергии «РЕСУРС» выпускается в двух модификациях: «Ресурс UF2C» - стационарного исполнения; «Ресурс UF2M» - переносного исполнения. Измеритель работает в широком диапазоне питающих напряжений (от 85 до 265 В переменного тока), с возможностью электропитания от измеряемого междуфазного напряжения 100 В. Интерфейсы RS-232 и RS-485 обеспечивают обмен данными со скоростью до 115200 бит/с. В комплект поставки входит несколько модулей программного обеспечения, позволяющих считывать с прибора архивные и оперативные данные. Измеритель «Ресурс» включен в Госреестр СИ, № 21621-03 и имеет сертификат соответствия РОСС БШ.ЬУ34.И01336; - анализатор качества электроэнергии АТК-7119 осуществляет контроль напряжения (0,1 - 550 В), тока, частоты, фазового угла, активной и полной мощности, энергии. Может работать в режимах: осциллографа; анализатора гармоник (до 63); анализатора энергетических параметров; регистратора провалов напряжения и перенапряжения. Общие характеристики: АЦП - 128 выборок на каждый канал на 1 период входного сигнала (43 - 68 Гц); связь с ПК - оптически изолированный интерфейс RS-232; память с аварийным питанием 2048 КБ; - регистратор аварийных сигналов «Бреслер-0105» позволяет записывать 16 аналоговых и 32 дискретных сигналов, максимальная непрерывная продолжительность записи - 46 сек. Просмотр и печать осциллограмм из файла осуществляется через ПК. Соответствует условиям ТУ 3433-005-13105628-98; - анализатор качества электроэнергии APAHAP-MI2092 обеспечивает измерение переменного напряжения и силы переменного тока, частоты, мощности (активной, полной), коэффициента мощности, активной и полной энергии. Может работать с ПК в режимах шестиканального осциллографа или регистратора данных, обеспечивая измерение и регистрацию аномалий напряжения длительностью от 10 мс. Внутренняя память 2 Мб. Интерфейс RS-232 с оптическим выходом. Универсальное питание (220 В / 50 Гц и 4 х 1,2 В); - анализатор параметров качества электрической энергии PQM-71 разработан для проведения регистрации и анализа параметров качества электрической энергии в электрических сетях с целью сертификации качества электроэнергии. Анализатор имеет частоту дискретизации 12,8 кГц, пять измерительных входов по напряжению и четыре измерительных входа по току; - регистратор электрических процессов цифровой «ПАРМА РП4.06» предназначен для измерения напряжения, тока, частоты, активной и полной мощности, для регистрации, хранения и анализа информации о процессах предшествующих и сопутствующих аварийным отклонениям параметров в электрических сетях. Регистратор реализует функции «Регистратор», «Самописец», «Измеритель». Перечисленные выше образцы измерительно-регистрационного оборудования протоколируют только события, выходящие за установленные оператором пороги колебаний напряжения, это уменьшает объем регистрируемых данных, однако, не дает полного представления о происходящих в системе процессах.
Другим подходом является концепция сплошного мониторинга {Full Disclosure Monitoring) [31], основанная на сплошной непрерывной фиксации всех заданных параметров с хранением такого информационного массива на специально предназначенных модулях электронной памяти и дисководах, соответствующих по своей емкости количеству данных. Для анализа к такому массиву могут прилагаться самые различные значения пороговых ограничений, требуемых на момент проведения анализа. Поскольку данные хранятся в электронном виде, их извлечение и обработка может производиться удаленно посредством доступа через сеть передачи данных или модем. Поскольку пороговые значения прилагаются не на стадии регистрации событий, а лишь на стадии анализа, то в массиве данных нет пробелов. На практике при измерении и регистрации существует возможность допуска на отклонение контрольных параметров, которые априори не имеют никакого практического значения и которые хоть и фиксируются при измерении, отфильтровываются на стадии сохранения информации, если это сочтет необходимым пользователь. Электроэнергия является специфическим товаром, одно из принципиальных качественных отличий которого состоит в том, что оно потребляется непрерывно. Знание истинных текущих параметров качества электроэнергии критически важно для ответственных потребителей электроэнергии.
Моделирование аварийных режимов и определение надежности и независимости источников питания системы внешнего электроснабжения Оренбургского ГПЗ
Приведенная на рисунке 2.6а кривая (траектория провала) начинается с правого нижнего угла (точка 1 - t=0 мс), за время около одного периода достигает верхнего правого угла (точка 2 - t=2l мс) и далее движется против часовой стрелки до левого верхнего угла (точка 3 - t=439 мс), далее - до левого нижнего угла (точка 4 - t=469 мс) и замыкается в правом нижнем угле (точка 1 - t=662 мс). Можно предположить, что первый участок (1-2) обусловлен электромагнитными процессами от начала аварии, второй участок (2-3) обусловлен электромеханическими процессами торможения выбегающих приводов, третий участок (3-4) обусловлен электромагнитными процессами при отключении места аварии и последний (4-1) обусловлен электромеханическими процессами разгона электроприводов. Таким образом, диаграммы изменения симметричных составляющих в процессе аварии достаточно типичны для большинства несимметричных КЗ и характеризуют процесс развития возмущения [43].
В результате серии регистрации провалов напряжения на ряде предприятий нефтяной и газовой промышленности установлено, что подавляющее большинство провалов напряжения на вводах систем электроснабжения указанных объектов оказались несимметричными. Для исследуемых предприятий расчет показателей независимости по методам, оперирующим с трехфазными возмущениями, приводит к значительному завышению значений коэффициента зависимости. Расчетные показатели зависимости вводов, полученные с помощью модифицированного метода, хорошо коррелируются с результатами, полученными на основании обработки зафиксированных осциллограмм напряжений. На основе результатов экспериментальных наблюдений было установлено, что чем ближе промышленная ЭТС к крупным генерирующим мощностям, тем ниже коэффициент несимметрии во время возмущения. Таким образом, на несимметрию провалов напряжения на входе электротехнической системы кроме удаленности точки КЗ влияет расположение генерирующих мощностей, которые при близком расположении обеспечивают подпор напряжения прямой последовательности [44].
Основными причинами возникновения провалов напряжения являются повреждения в системах внешнего электроснабжения, вызванные преимущественно короткими замыканиями, обусловленными, как правило, целым рядом причин: перенапряжениями (особенно в сетях с изолированной нейтралью), прямыми ударами молнии, загрязнением и старением изоляции, механическими повреждениями изоляции и опорных конструкций, перекрытием токоведущих частей посторонними предметами, ошибочными действиями персонала подстанций при проведении ремонтных работ и оперативных переключений. Такие КЗ сопровождаются увеличением в несколько раз по сравнению с номинальным значением токов в поврежденных фазах и снижением напряжения вблизи места возникновения. В соответствии с п.3.2.108 ПУЭ, защита воздушных линий 110 кВ и выше должна срабатывать без выдержки времени при понижении напряжения на шинах подстанции ниже 0,6-0,7 UHOM, при этом длительность провала напряжения составит порядка 0,20-0,25 с. Любые изменения электроэнергетической системы, в частности кратковременные нарушения электроснабжения, приводят к перераспределению энергии между элементами системы электроснабжения и сопровождаются возникновением переходных процессов. Переходный процесс характеризуется изменением электромагнитного состояния элементов ЭЭС, напряжений, токов, мощностей, моментов, частоты, углов сдвига между ЭДС источников и напряжениями в разных узлах системы. Изменения состояния системы характеризуются нарушением баланса между электромагнитным и механическим моментами на валу каждой вращающейся машины. Вследствие относительно большой механической инерции вращающихся машин начальная стадия переходного процесса характеризуется преимущественно электромагнитными изменениями [45].
Расчет электрического состояния систем электроснабжения промышленных объектов является необходимым этапом при расчетах стационарных и переходных состояний таких систем. Как правило, для таких расчетов широко используются матричные методы теории электрических цепей и, в частности, метод узловых потенциалов. Данный метод обладает целым рядом преимуществ и недостатков. Так, значительное время счета и высокая чувствительность к плохо обусловленным матрицам узловых проводимостей представляются достаточно существенными для того, чтобы отказаться от применения метода узловых потенциалов. Так, при некоторой модификации, подробно представленной в [4], для расчета схем, содержащих автономные генераторы, то есть имеющих несколько источников ЭДС и для расчета схем, имеющих замкнутые контуры, может быть применен метод свертки.
Для расчетов электрического состояния используется однолинейная схема замещения системы внутреннего электроснабжения, в которой все элементы схемы представлены своими эквивалентными сопротивлениями. При этом принимается, что напряжение в первом узле равно значению эквивалентной ЭДС питающей энергосистемы. Ветви, содержащие нагрузку, считаются присоединенными своими концами к нулевому узлу - "земле", потенциал которого считается всегда равным нулю. Схемообразующие ветви описываются своими сопротивлениями, ветви, содержащие статическую нагрузку (реакторы, конденсаторные батареи и т.п.) также описываются постоянными сопротивлениями. Ветви, содержащие асинхронную двигательную нагрузку, описываются эквивалентными (кажущимися) сопротивлениями двигателей, зависящими от скольжения привода. Ветви, содержащие синхронную нагрузку, описываются эквивалентными (кажущимися) сопротивлениями двигателей, определяемыми с помощью итерационной процедуры.
Структура системы внутреннего электроснабжения формализуется посредством матрицы инциденций [S] направленного графа схемы замещения. При этом элементы матрицы принимают следующие значения S -1, если ветвь / для узла j яявляетс входящей; О, если ветвь / неинцидент на узлу у; (2.16) целому положительному, если ветвь / для узла j яявляетс отходящей. Различие описания отходящих ветвей связано с тем, что такие ветви могут быть схемообразуюшими, то есть расположенными между двумя узлами. Вместе с тем, такие ветви могут содержать нагрузку. Таким образом, для схемообразующих ветвей:
Технические средства повышения бесперебойности работы потребителей при кратковременных нарушениях электроснабжения
Как отмечалось выше, наиболее часто отказы в работе электротехнических систем непрерывных производств происходят из-за кратковременных нарушений электроснабжения, вызванных короткими замыканиями в электрических сетях и проявляющихся в виде провалов и исчезновений напряжений длительностью доли секунд - секунды. Если авария в электрических сетях устраняется действием штатных быстродействующих защит систем внешнего электроснабжения, то длительность возмущения составляет около 0,15 секунды. Если восстановление напряжения сопровождается действием автоматики (АВР, АПВ, УРОВ и т.д.) или связано со срабатыванием резервных защит, то длительность провалов может достигать секунд, особенно время восстановления напряжения затягивается при системных авариях в энергосистеме. Глубина провалов напряжения зависит от удаленности места аварии от вводов ЭТС предприятия.
Кратковременные нарушения электроснабжения сопровождаются самопроизвольным отключением электроприемников и электроустановок, нарушением устойчивости электротехнических систем, следствием чего является перебои в работе непрерывных производств. С учетом специфики нефтегазовой отрасли, при таких нарушениях электроснабжения практически весь объем продукции, находящейся в процессе переработки, на нефте- и газоперерабатывающих предприятиях, аварийно сбрасывается на факел, что отрицательно влияет на состояние окружающей среды. Все это ведет к значительным экономическим потерям и, зачастую, тяжелым экологическим последствиям [50].
Мероприятия по повышению бесперебойности работы потребителей должны проводиться согласовано в системах внешнего и внутреннего электроснабжения предприятий. С учетом отменных приказом Министерства топлива и энергетики Российской Федерации [51] «Правил пользования электрической и тепловой энергией» [52], с поставщиков электрической энергии снята ответственность за нарушения электроснабжения и последующий недоотпуск товарной продукции. Введение данного приказа привело к тому, что в реализации мероприятий по обеспечению бесперебойного электроснабжения заинтересованы, в первую очередь, сами потребители электрической энергии. Такие мероприятия должны быть направлены на снижение интенсивности возмущений, включая снижение частоты коротких замыканий в электрических сетях, сокращение длительности аварийных режимов и глубины провалов напряжения, уменьшение числа глубоких и зависимых провалов напряжения со стороны источников питания, на повышение функционального соответствия параметров источников и потребителей в переходных режимах, а так же на реализацию способов, способствующих снижению чувствительности потребителя к кратковременным нарушениям электроснабжения. Для возможности анализа параметров возмущений в основных узлах нагрузки предприятия (шины РУ ГПП) рекомендуется осуществлять непрерывный мониторинг напряжения. Реализация мониторинга напряжения источников внешнего электроснабжения нефтегазовых объектов будет способствовать: - выработке обоснованных противоаварийных мероприятий по обеспечению устойчивости промышленных электротехнических систем и бесперебойной работы потребителей производственных объектов; - совершенствованию договорных отношений с энергоснабжающими и электросетевыми организациями, с учетом введенного в действие с 01.01.2013 ГОСТ Р 54149-2010 "Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения", устанавливающего необходимость учета 133 статистических данных по качеству поставляемой или передаваемой электрической энергии при заключении соответствующих договоров.
В настоящее время регистрация напряжения применяется ограничено, в части систем электроснабжения нефтегазовых объектов и осуществляется средствами, которые протоколируют события, выходящие за установленные пороги колебаний напряжения. Современный уровень цифровой техники позволяет реализовать концепцию непрерывного мониторинга напряжения в системах электроснабжения (Full Disclosure Monitoring), имеющую очевидные преимущества, поскольку она обеспечивает контроль не только аварийных событий, но и основных показателей качества электроэнергии в непрерывном процессе ее поставки и потребления, с отслеживанием тенденций изменения этих показателей. При правильном выборе требований к техническим средствам, опциям и программному обеспечению использование средств непрерывного мониторинга напряжения будет не только эффективней, но и дешевле использования аварийных регистраторов. Сегодня имеется настоятельная необходимость в разработке и апробации рекомендаций, реализуемых в виде требований на создание технических средств и математического обеспечения мониторинга напряжения внешнего электроснабжения.
Наиболее эффективные мероприятия по повышению бесперебойности работы потребителей при кратковременных нарушениях электроснабжения включают: - увеличение мощности источников питания или пропускной способности элементов питающих электрических сетей; - разукрупнение узлов электрической нагрузки; - отказ от упрощенных схем электроснабжения предприятия; - выбор структуры распределительных сетей внешнего электроснабжения; - локализация зоны глубоких провалов напряжения во внешних сетях; - уменьшение числа длительных коротких замыканий во внешних сетях; - предотвращение самопроизвольного отключения электрооборудования, электроприемников на напряжение до 1000 В; 134 - рациональный выбор параметров защит минимального напряжения и проверка выдержки времени токовых защит в сети 6(10) кВ предприятия; - применение ускоренных и/или быстродействующих АВР в системе внутреннего электроснабжения предприятия; - облегчение условий самозапуска и использование автоматического повторного пуска ответственных электроприводов; - повышение устойчивости синхронных двигателей; - управление режимом работы системы внутреннего электроснабжения; - обеспечение технологического резерва и правильного функционирования систем технологической автоматики, согласование ее параметров с параметрами систем РЗиА, действующих при нарушениях электроснабжения; - применение систем частотного пуска и мягкого пуска электроприводов. Увеличение мощности источников питания или пропускной способности элементов питающих электрических сетей проявляется в уменьшении эквивалентного сопротивления источников электроснабжения узлов нагрузки предприятия, что способствует повышению параметров устойчивости промышленных электротехнических систем, уменьшению напряжения статической устойчивости и увеличению времени динамической устойчивости системы, что приводит к сокращению зоны критических возмущений [53]. Эффект может быть достигнут за счет ввода в эксплуатацию дополнительных источников питания (электростанций) или за счет увеличения числа системообразующих связей, что достигается изменением положения выключателей во внешних сетях, однако, такой способ может привести к увеличению степени зависимости источников питания предприятия.
Разукрупнение узлов электрической нагрузки может осуществляться за счет переключения части электродвигательной нагрузки с одних шин на другие в пределах одного распределительного устройства или за счет создания дополнительных понизительных подстанций. Перераспределение электрической нагрузки между существующими узлами целесообразно при существенном различии в показателях устойчивости соответствующих электротехнических систем. Дробление нагрузки требует доступных для данного предприятия центров питания энергоснабжающей организации. Отказ от упрощенных схем электроснабжения предприятия и прилегающей распределительной сети предполагает замену упрощенных подстанций с присоединением отпайками и использованием отделителей и короткозамыкателей на подстанции с полным комплектом выключателей, что сократит время локализации аварий в системе электроснабжения предприятия.
Выбор структуры распределительных сетей внешнего электроснабжения должен осуществляться с учетом возможного изменения мощности и степени зависимости источников питания основных узлов нагрузки (шины РУ ГПП) предприятия. Локализация зоны глубоких провалов напряжения во внешних сетях возможна за счет использования в центрах питания электросетевой организации управляемых источников реактивной мощности (в особенности быстродействующих статических тиристорных компенсаторов).
Уменьшение числа отключений коротких замыканиях во внешних сетях с большой выдержкой времени особенно важно в схемах (например, тупиковые линии), в которых чувствительность основных защит недостаточна и авария отключается каскадным действием защит по концам линии. Для таких линий должны быть использованы каналы телеотключений.