Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Несинусоидальность напряжения в системах электроснабжения (СЭС) промышленных предприятий»
1.1. Основные теоретические положения 16
1.2. Источники гармонических искажений 21
1.3. Анализ несинусоидальности напряжения при работе вентильных преобразователей 28 Выводы по первой главе 35
Глава 2. Исследование и анализ несинусоидальности напряжения при электролизе цинковых растворов 36
2.1. Краткая характеристика технологического процесса электролиза цинковых растворов цеха 40
2.2. Методика экспериментальных исследований высших гармонических (ВГ) и математической обработки результатов эксперимента , 43
2.3. Результаты исследования и расчета частотно-амплитудного спектра ВГ и коэффициентов искажения синусоидальности кривой напряжения в СЭС 48
Выводы по второй главе 71
Глава 3. Разработка математической модели определения ZJ>E3, ФВП и ФВС в несинусоидальность напряжения в ТОП» 74
3.1. Обзор существующих методов расчета ФВП и ФВС в несинусоидальность напряжения 79
3.2. Анализ эквивалентной схемы замещения СЭС и расчет ФВП и ФВС относительно ТОП «Электрическая система - нелинейный потребитель» 89
3.3. Математическая модель определения результирующего сопротивления ZpE3, ФВП и ФВС в ТОП «Электрическая система- ТОП - нелинейный потребитель» 94 Выводы по третьей главе 98
Глава 4. Исследование, анализ и расчет результирующего сопротивления высших гармонических напряжения ZpE3, ФВП (ФВС) в несинусоидаль ность напряжения в ТОП на основе активных экспериментов 100
4.1. Методика исследования, анализа и расчета ZpE3, ФВП (ФВС) на основе активного эксперимента - включения (отключения) батареи статических конденсаторов (БСК) в ТОП 102
4.2. Расчет ZpE3, ФВП и ФВС при переключении регулирующих отпаек трансформатора с регулировкой под нагрузкой (РПН) 123
4.3. Расчет сопротивления Zj>E3, ФВП, ФВС при включении двух трансформаторов на параллельную работу 145
Выводы к четвёртой главе 164
Заключение 166
Приложения 168
- Основные теоретические положения
- Краткая характеристика технологического процесса электролиза цинковых растворов цеха
- Обзор существующих методов расчета ФВП и ФВС в несинусоидальность напряжения
- Методика исследования, анализа и расчета ZpE3, ФВП (ФВС) на основе активного эксперимента - включения (отключения) батареи статических конденсаторов (БСК) в ТОП
Введение к работе
Электрическая энергия является специфическим видом товара и как любой вид продукции характеризуется рядом количественных и качественных свойств, отражающих особенности ее производства, передачи и потребления.
Постановлением Правительства РФ №1013 от 13.08.97 г в перечень товаров и услуг, подлежащих обязательной сертификации, включена электроэнергия. Госстандарт РФ совместно с Минтопэнерго РФ разработали и ввели в действие «Временный порядок сертификации электроэнергии по её качеству».
Юридическим обоснованием введения сертификации электроэнергии является Закон РФ «О сертификации продукции и услуг», «О защите прав потребителей». Гражданский кодекс РФ за ухудшение качества электроэнергии предусматривает применение разного рода санкции к виновнику искажений. Так, статья Гражданского кодекса РФ №331 предполагает оплату неустойки «в случае ненадлежащего исполнения обязательств». В статье №542 «Качество энергии» сказано, что «в случае нарушения энергоснабжшощей организацией требований, предъявляемых к качеству энергии, абонент вправе отказаться от оплаты такой энергии», и далее по статье №475 «Последствия передачи товара ненадлежащего качества» признается право «потребовать от продавца соразмерного уменьшения покупаемой цены» электроэнергии.
В связи с этими документами электроэнергия определяется как товар с соответствующим определением «Энергия, выступающая в процессах купли-продажи как товар, отличается особыми потребительскими свойствами, совпадением во времени процессов производства, транспортировки и потребления; зависимостью характеристик качества электроэнергии от процессов её потребления, невозможностью, хранения и возврата некачественной электроэнергии».
Одной из наиболее дискуссионных проблем в электроэнергетике и, в частности, электроснабжения промышленных предприятий является проблема
электромагнитной совместимости (ЭМС) источников высших гармоник (ВГ) с питающей сетью и компенсация реактивной мощности при несинусоидальности напряжения, являющейся важнейшим параметром качества электроэнергии (КЭ) [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8].
ЭМС характеризует электромагнитную среду, обеспечивающую нормальное функционирование электроприемников (ЭП), исследования проблемы ЭМС и КЭ имеют не только большую научную значимость, но и практическую ценность. Так, только Европейский рынок средств ЭМС составлял в 1989 г 380 млн. долл., а в 1994 г возрос до 780 млн. долл., обеспечив 15% естественный прирост. Наибольший объем рынок товаров ЭМС достиг в Германии - 37%. Ущерб от ухудшения КЭ в промышленных сетях превысил 1,8 млн. руб./год (в ценах до 1990 г) [9, 10 ,11, 12].
В России совершенствуется законодательная база по КЭ. Так, разработан Федеральный Закон «О государственном регулировании в области обеспечения ЭМС технических средств», направленный на создание условий для обеспечения ЭМС технических средств, разработку и внедрения стандартов.
Основным стандартом в области КЭ, действием в России и принятом странами СНГ, является ГОСТ 13109-97 [1, 13 ,14].
Качество электроэнергии (КЭ) характеризует электромагнитное воздействия системы электроснабжения на приборы, аппараты электрооборудование через кондуктивные электромагнитные помехи (ЭМП), распространяющиеся по электросети.
Электроэнергетическая система (ЭЭС) и система электроснабжения промышленного предприятия (СЭС), как её составная часть, представляет собой ту электромагнитную среду, в которой ЭМП создаются, распространяются и воздействуют на электроприёмники (ЭП). В ряде случаев и сами ЭП являются источниками ЭМП.
Для оценки КЭ в СЭС установлены показатели КЭ (ПКЭ), характеризующие уровень ЭМП в СЭС. Общим параметром для всех ПЭК является напряже-
ниє. Значения ПКЭ и их номенклатура установлены ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электроэнергии в системах электроснабжения общего назначения». Всего для характеристики СЭС применяют одиннадцать ГЖЭ, определенных КЭ по напряжению и частоте.
Несинусоидальность в соответствии с ГОСТ 13109-97 характеризуется следующими показателями:
коэффициентом искажения синусоидальности кривой напряжения Ки;
коэффициентом п-ой гармонической составляющей напряжения К^пу
Значение коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения Ки, определяется отношением действующего значения высших гармоник напряжения к U^ или номинальному напряжению:
Ки =
п=2
(1)
и,
'и=2
17..-..
100%,
(В.1)
где Un — действующее значение напряжения гармоники, В; N— номер последней из учитываемых гармоник.
Согласно ГОСТ действующего в РФ допустимое значение Ку при ином= = 6 - 20 кВ составляет 5%.
Нормально и предельно допустимые с интегральной вероятностью 95% значения Ку в точках общего присоединения к электрическим сетям с разными номинальными напряжениями приведены в таблице В.1.
Таблица В.1. Требования ГОСТ по ограничению коэффициента искажения синусоидальности (Кц)
В начальный период развития электроэнергетики основной являлась количественная оценка электроэнергии. Однако за последние 7-10 лет в России, в связи с развитием новых передовых технологий в ряде ведущих отраслей промышленности с использованием мощных тиристорных преобразователей (цветная, черная металлургия, машиностроение и д.р.), все большую актуальность приобретает показатель качества электроэнергии [15, 16, 17, 18, 19, 20, 21,22,23].
За эти годы появилась техническая база контроля ПКЭ с помощью отечественных и зарубежных средств измерения ПКЭ [24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32,33,34,35,36,37,38].
Изучение режимов работы ЭП с учетом требований к КЭ и надежности электроснабжения является необходимым условием формирования СЭС в целом. С ростом мощности отдельных ЭП усложняется расчет режимов их работы и требований к КЭ, особенно при наличии нелинейных ЭП. К этим ЭП относятся, имеющие в настоящее время широкое распространение в промышленности, вентильные преобразователи (ВП) и иные ЭП, генерирующие высшие гармонические (ВГ) в СЭС и формирующие несинусоидальность напряжения [39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46].
Первые исследования несинусоидальности напряжения носили теоретический характер и были связаны с изучением работы трансформаторов [47]. Экспериментальные исследования стали проводиться с середины 60-х годов прошлого столетия в связи с появлением мощных преобразовательных установок и соответствующей измерительной аппаратуры [48, 49].
Несинусоидальность напряжения является важнейшим показателем КЭ. В работах отечественных и зарубежных ученых [50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58] установлено отрицательное влияние несинусоидальности напряжения на работу силового электрооборудования, релейной защиты и автоматика в СЭС промышленных предприятий. Несинусоидальность напряжения, вызываемая ВГ, снижает надежность работы СЭС, срок службы ЭП, приводит к
ухудшению качества и недоотпуску продукции, и, в конечном счете, к значительному экономичному ущербу [59, 60, 61].
Опубликован ряд работ по исследованию актуальной проблемы фактического вклада нелинейных потребителей (ФВП) и системы (ФВС) в уровень несинусоидальности напряжения в точке общего присоединения (ТОП) СЭС промышленных предприятий и, в основном, носят теоретический характер [62, 63, 64, 65, 66, 67]. В недостаточно полной мере исследованы проблемы фактического вклада потребителей (ФВП) в уровень несинусоидальности напряжения в точке общего присоединения (ТОП) к СЭС для предприятий цветной металлургии. Решение этой актуальной проблемы лежит в плоскости не только теоретических, но и экспериментальных исследований на действующих предприятиях. Обобщенные результаты теоретического и экспериментального исследования амплитудно-частотных характеристик искажающих ЭП в СЭС позволяют внести существенный научный вклад в теорию и практику расчета влияния на несинусоидальность напряжения нелинейных потребителей.
Введение обязательной сертификации электроэнергии в РФ [68, 69, 70] означает, что электроснабжающие организации должны осуществлять мониторинг качества электроэнергии отпускаемой потребителям. Если электро-снабжающая организация установит ухудшения: показателей качества электроэнергии сверх требуемых норм, то она должна выявить виновников (причины) ухудшения качества электроэнергии и применить к ним оговоренные законом штрафные санкции [71, 72, 73, 74, 75]. Естественно, что для выяснения причин ухудшения качества электроэнергии и для выявления виновников необходимо проведение анализа показателей качества электроэнергии, которые получают благодаря проведению экспериментальных исследований, частным видом которых и являются мониторинг.
Теоретические исследования по теме диссертации проводились на кафедре ЭПП МЭИ(ТУ). Экспериментальные исследования проводились
совместно с кафедрой ЭПП СКГМИ(ГТУ) на заводах «Электроцинк» и «Победит» города Владикавказ — крупнейших в РФ предприятий по производству цветных металлов.
Объектом исследования являлись нелинейные ЭП - вентильные преобразователи используемые при электролизном процессе получения цинка. Результаты исследования позволили определить фактические параметры несинусоидальности напряжения в ТОП мощных источников ВГ.
Обобщенные результаты теоретического и экспериментального исследования амплитудно-частотных характеристик искажающего ЭП в СЭС являются существенным научным вкладом в теорию ФВП в несинусоидальность напряжения [76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83].
Важнейшим аспектом в изучении вопроса ухудшения качества электроэнергии от высших гармоник является разработка достаточно универсальной методики определения уровня высших гармоник, а также виновника искажения напряжения в СЭС, т.е. ФВП.
Уточненная методика определения ФВП, основанная на анализе и расчете схемы замещения системы и источника ВГ в ТОП, позволяет оценить несинусоидальность источников ВГ в ТОП и СЭС в целом.
В различных странах нормирование допустимых значений несинусоидальности осуществляется по-разному: по коэффициенту искажения синусоидальности или по значениям отдельных гармоник напряжения (тока) в узлах сети. Второй способ представляется более перспективным, так как современные автоматизированные системы оказываются весьма чувствительными к воздействию отдельных гармоник напряжения. Наиболее целесообразным решением является сочетание обоих способов нормирования - по допустимым значениям гармоник тока (напряжения) и коэффициенту искажений синусоидальности кривой напряжения.
Национальными нормами некоторых стран лимитируются значения гармоник тока, могущих проникать из электрических сетей потребителей в сети
энергосистем, чтобы обязать потребителей ограничивать их в месте генерирования [84, 85, 86, 87]. Взаимное сопротивление на частоте (частотах) какой-либо гармоники канонического порядка может оказаться весьма малым, и гармоники тока из электрической сети предприятия с нелинейной нагрузкой могут почти полностью проникать в сети энергосистемы и предприятий, где таких нагрузок нет.
В последнее время Госстандарт переходит к использованию ряда международных стандартов, разработанных Международной электротехнической комиссией (МЭК).
Так, в 1999 г Госстандарт РФ утвердил два стандарта ГОСТ Р51317.3.2-99 (МЭК 61000-3-2-95). «Эмиссия гармонических составляющих тока. Технические средства с потребляемым током не более 16А на фазу» и «Нормы и методы использований» и ГОСТ Р51317.3.3-99 (МЭК 6100-3-3-94). «Колебания напряжения и фликер, вызываемые техническими срывами с потребляемым током не более 16А на фазу».
Следует также отметить, что в связи с вступлением России в ВТО, требования к ПКЭ должны быть ужесточены. Так, например, по ГОСТ 13109-97 нормально допустимое значение коэффициента искажения синусоидальности кривой межфазных напряжений Ки норм=5% для сетей при U„0M=6 - 20 кВ. В тоже время, уже давно допустимые значения Ки норм составляют в Швеции для сетей 3,3-24 кВ - 3%, в Японии для сетей 11-66 кВ - 2%.
Представляется, что с учетом постоянного повышения требований к качеству электроэнергии [88], такие ограничения целесообразно внести в существующий ГОСТ 13109-97.
Актуальность работы
До настоящего времени проблема снижения искажения синусоидальности кривой напряжения остаются нерешенной, и является одной из серьезнейших научных и требующих своего решения проблем в области обеспечения по-
требителеи электрической энергией надлежащего качества. В настоящее время происходит процесс увеличения доли чувствительной к качеству электроэнергии потребителей в общей нагрузке систем электроснабжения (СЭС) и поэтому в практике определение ЭП - виновника в искажении синусоидальности позволяет своевременно предпринять необходимые меры по снижению уровня высших гармонических составляющих в энергосистеме. Актуальность и важность темы диссертационной работа обусловлена не только научной ценностью и практической значимостью работы, но и экономической целесообразностью, предполагающей максимально заинтересовать нелинейного потребителя в проведении различных мероприятий по снижению уровня высших гармонических составляющих. Степень научной разработанности проблемы показывает, что методы исследования качества электроэнергии и расчета ФВП в несинусоидальность напряжения достаточно полно освещены в работах ряда отечественных и зарубежных ученых - Бушуевой О.А., Гамазина СИ., Жежеленко. И.В., Железко Ю.С. Иванова B.C., Карташова И.И., Кужекова С.Л., Соколова В.И., Черепанова В.В., Шевченко В.В., Шидловского А.К., Арланга Дж., Бредли Д.,Yang Hong-Geng, Huddart K.W., Brewer G.L., Aly A., Dugan R.S., M. Mc. Granadham и других. Однако, используемые в этих работах способы представления ФВП носят достаточно общий характер и лишь частично отражают многообразие вклада нелинейных электроприемников. В частности, в недостаточной мере специфических условий процесса электролиза цинковых растворов.
Актуальность работы подтверждается постановлением Правительства РФ №1019 от 13.08.97 г «О временном порядке сертификации электроэнергии по ее качеству» и совместной с кафедрой ЭПП СКГМИ(ГТУ) работой по гранту президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых ученых МК-1324, 2007.8.
Цель работы
Целью диссертационной работы является разработка методики определения фактических вкладов нелинейных потребителей и системы в несинусоидальность напряжения в точке их общего присоединения (ТОП) на основе активных экспериментов.
Поставленная в диссертационной работе цель достигается последовательным решением ряда задач включающих:
анализ существующих методов определения фактических вкладов нелинейных потребителей в несинусоидальность напряжения;
составление эквивалентной схемы замещения электрической системы и нелинейных потребителей;
разработка математической модели определения ФВП и ФВС в несинусоидальность напряжения;
разработка методики экспериментальных исследований ВГ в электрических системах промышленных предприятий на основе современных измерительных комплексов;
определение ФВП и ФВС в несинусоидальность напряжения на основе активных экспериментов (оперативных переключений в электрических сетях промышленных предприятий).
На защиту выносятся:
Результаты анализа существующих методик определения фактических вкладов нелинейных потребителей в несинусоидальность напряжения;
Методика и результаты исследования коэффициентов искажения синусоидальности кривой напряжения при электролизе цинковых растворов;
Эквивалентная схема замещения электрической системы и нелинейных потребителей;
Математическая модель определения ФВП и ФВС в несинусоидальность напряжения;
5. Методика инструментального экспериментального определения и оценка погрешности ФВП и ФВС в несинусоидальность напряжения при электролизе цинковых растворов на основе активных экспериментов, включающих:
а) включение-отключение батарей статических конденсаторов (БСК);
б) переключение ступеней регулирования напряжения силовых транс
форматоров с РПН;
в) включение-отключение силовых трансформаторов на параллельную
работу.
Научная новизна и ценность диссертационной работы
Разработана математическая модель определения результирующего сопротивления электрической системы и потребителя, ФВП и ФВС для каждой гармонической составляющей в несинусоидальном напряжении.
Разработана методика инструментального экспериментального определения ФВП и ФВС в несинусоидальность напряжения на основе активных экспериментов в СЭС;
Выполнена оценка относительной погрешности определения ФВП и ФВС на основе экспериментальных данных и аналитических расчетов. Погрешность методики находится в пределах 7%.
Практическая значимость и внедрение результатов работы
Предложена методика экспериментальных исследований ВГ в СЭС промышленных предприятий с использованием приборов комплексного контроля ПКЭ типа ПКК-57 и AR-5;
Проведен количественный и спектральный анализ фактического вклада 6-й и 12-и фазных вентильных преобразователей при электролизе цинковых растворов на действующих предприятиях цветной металлургии;
Определены коэффициенты искажения синусоидальности кривой напряжения кнс в различных ТОП СЭС, источники ВГ, для которых Ки > 5%, и разработаны рекомендации по их снижению до значений регламентируемых ГОСТ-13109-97;
Разработана инженерная методика проведения активных экспериментов для определения ФВП и ФВС в несинусоидальность напряжения;
Определены, как граничные условия, минимально-допустимые значения отклонения параметров СЭС при проведении активных экспериментов, обеспечивающих относительную ошибку расчета ФВП и ФВС в пределах 7%;
Предложен алгоритм аналитического расчета ВГ напряжения по эквивалентной схеме замещения СЭС, используемого при оценке погрешности результатов активного эксперимента;
Результаты диссертационной работы внедрены на заводах «Электроцинк», «Победит», в Северо-Осетинском филиале КЭУК (Кавказской энергетической управляющей компании), в учебный процесс для студентов энергетических специальностей по курсу «Качество электроэнергии» и «Электроснабжение»;
Методы исследования
Для решения поставленных задач использованы теоретические основы электротехники, теория электрических цепей, математическая статистика, натурные эксперименты на действующих объектах с использованием современных измерительных комплексов типа ПКК-57 и AR-5.
Достоверность и обоснованность научных результатов, выводов и рекомендаций подтверждается:
корректным использованием методов преобразования электрических цепей и математической статистики;
использованием измерительных комплексов с классом точности 1(2);
хорошим совпадением результатов активных экспериментов и аналитических расчетов ФВП и ФВС в несинусоидальность напряжения. Относительная погрешность расчетов для сложных СЭС промышленных предприятий не превышает 7%.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы и ее отдельных частей докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях «Качество электроэнергии» (г. Владикавказ, 2007), на 10-й и 11-й международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов МЭИ (ТУ) «Радиоэлектроника, электротехника, энергетика» (г. Москва, 2004, 2005 гг.), на международной научной конференции «Теория операторов. Комплексный анализ и математическое моделирование» (г. Волгодонск, 2007).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 7 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка литературы из 100 наименований. Объем диссертационной работы включает 167 страниц, включая 83 рисунка и 14 таблиц.
Основные теоретические положения
Периодические несинусоидальные токи и напряжения возникают, в общем случае, при следующих четырех различных режимах работы электрических цепей: 1) когда источник ЭДС (источник тока) дает несинусоидальную ЭДС (несинусоидальный ток), а все элементы цепи — резистивные, индуктивные и емкостные — линейны, т. е. от тока не зависят; 2) если источник ЭДС (источник тока) дает синусоидальную ЭДС (синусоидальный ток), но один или несколько элементов цепи нелинейные; 3) когда источник ЭДС (источник тока) дает несинусоидальную ЭДС (несинусоидальный ток), а в состав электрической цепи входят один или несколько нелинейных элементов; 4) если источник ЭДС (тока) дает постоянную или синусоидальную ЭДС (ток), а параметры одного или нескольких элементов цепи периодически изменяются во времени.
Как известно, любую периодическую функцию f(x) с периодом 2ж, удовлетворяющую условиям Дирихле, можно разложить в ряд Фурье. Переменная величина х связана со временем t соотношением: X=OJ=— (l.l)
где Т - период функции во времени, период функции по х равен 2п, а период по времени равен Т. Ряд Фурье в тригонометрической форме записывают так: f(x)=— + aj-cosx + bj-sinx + a2-cos 2x + b2-sm2x + ...+ a„-cos nx + + bn-smnx + ... = — + ]T(a„-cos nx + b„-smnx), (1-2) 2 n=i где ao — постоянная составляющая; an — амплитуда косинусной составляющей первой гармоники; Ьп — амплитуда синусной составляющей первой гармоники. Постоянная составляющая находится из выражения: о0= //( )«& = - )f(x)dx, (1.3) П О К -я амплитуда косинусной составляющей равна: 1 2ж 1 " ап= fix) cos nxdx - — \f(x) cos nxdx, (1-4) 2- о n -І амплитуда синусной составляющей: і 2л 1 " bn= \f(x)-smnxdx = — - \f(x) sin nxdx. (1-5) 2-я n J 0 -n
В электротехнике ряд Фурье обычно представлен в виде выражения: f(co) = - +Amaxl-sm(coJry/1) +Amax2-sm(2a +y/2) + ...+ + Amaxn-sm(no)+y/n) (1.6) где 4max „-sin(ra;+(//„) = a„-cos гас + bn- sin гас, и амплитуда данной гармоники Атахп = а2п+Ъ\ , тангенс фазного угла tg у/п= - -. Следует отметить свойство периодических кривых, симметричных отношению оси абсцисс. Именно такой является кривая тока (напряжения) в сети, удовлетворяющая условию f(x+л) =f(x).
Поэтому кривые этого типа раскладывают в ряд: f(x)= a;-cos х + bj-sinx + «з-cos Зх + b3-sin 3x + ... (1-7) Именно такими, в большинстве случаев, являются токи высших гармонических составляющих.
Кривые, симметричные отношению начала координат и удовлетворяющие условию -f(-x) = f(x), являются нечетными и при разложении их в ряд Фурье имеют вид: f(x)= bj-s mх + b2-sin 2х + Ьз-sin Зх + Z -sin 4х + ... (1-Ю
В общем случае кривые токов и напряжений в промышленных электрических сетях могут рассматриваться как амплитудно-модулированые колебания со случайным законом изменения амплитуды и начальной фазы; для напряжения: u(t) = Um(t) [cot + p(t)], (1.9) где u(t) и Um(t) - мгновенное и амплитудное значения напряжения для момента времени t; (p(t) - начальная фаза.
Общее выражение для тока i(t) аналогично и по структуре. Временной подход к исследованию нелинейных искажений, иллюстрируемый выражением (1.9), весьма неудобен для практического использования. Повсеместное распространение получил так называемый спектральный подход [96, 97, 98], основанный на представлении колебаний в виде совокупности элементарных колебаний. Если нелинейная нагрузка работает в «спокойном» режиме, то выражение для тока i(t) [аналогично для напряжения u(t)] представляется рядом Фурье: п i(t)=I Y, Ivm-sm(vco + (pv), (1.10) где I0 — постоянная составляющая; Ivm sin(n-a) + cpj) — гармоники или гармонические составляющие v-oro порядка с амплитудой 1ут и начальной фазой cpv; п — порядок (номер) последней из учитываемых высших гармоник.
Гармоническая составляющая с номером v=l, частота которой соответствует частоте сети, называется первой или основной; остальные — высшими гармониками (или гармоническими составляющими). В трехфазных промышленных сетях практически всегда I0 = 0.
Совокупность амплитуд Ivm и фаз cpv образует дискретные амплитудный и фазный спектры. Для решения практических задач основное значение имеет амплитудный спектр частот, называемый для краткости просто спектром (рис. 1.1).
Краткая характеристика технологического процесса электролиза цинковых растворов цеха
Основной продукцией завода «Электроцинк» является катодный цинк, получаемый электролизным способом.
Технологическая схема электролизного цеха приведена на рисунке 2.3.
Осаждение катодного цинка производят из нейтральных очищенных растворов сульфата цинка, поступающих из выщелачивательного цеха. Из двух сборных чанов нейтральный раствор насосами закачивается в напорный бак, из которого раствор поступает в желоб и систему растворопроводов для подачи в электролизные ванны. На выходе из напорного бака установлены регулятор подачи нейтрального раствора в желоб, расходомерная щель и термопара для замера температуры нейтрального раствора. Температура нейтрального раствора в летнее время не должна превышать 50 С, в зимнее время 55 С. Качество нейтрального раствора контролируется центральной заводской лабораторией (ЦЗЛ). Заданный режим кислотности контролируется путем титрования содовым раствором каждые два часа по каскадам. В случае отклонения кислотности от заданного режима в ту или иную сторону, кислотность регулируют путем изменения соотношения нейтрального раствора и отработанного и увеличением или уменьшением подачи смешанного раствора в ванны. Отбор пробы отработанного раствора на содержание цинка, кислоты, хлора, марганца производится ежесуточно. Замер температуры отработанного электролита производится автоматически. Нормальный температурный режим электролиза 40 С, отклонение от заданного режима по ваннам составляет не более ±3 С. Охлаждение электролита производится технической водой в ваннах с помощью алюминиевых змеевиков, охлаждающая площадь в ванне 2,1 м". Вода под давлением не ниже 0,55 кгс/см" контролируется манометрами общего назначения, и, в зависимости от показаний замера температуры, поступление воды на змеевики регулируется изменением давления в системе. Плотность тока должна обеспе чивать максимальную производительность ванн по катодному цинку. Опти-мальная плотность тока 540-580 А/м . Величина тока и напряжение на каждой серии ванн контролируется с помощью щитовых приборов.
Технологическая схема электролизного цеха приведена на рисунке 2.3.
Для улучшения процесса образования катодного осадка в электролит добавляют раствор клея из расчета, чтобы в ванне его концентрация составляла 15-г-ЗО мг/л. Для улучшения сдирки катодного осадка, особенно при высоких содержаниях фтора и хлора в растворах, перед снятием осадка в ванны добавляют раствор сурьмановиннокислого калия с таким расчетом, чтобы концентрация сурьмы в ванне перед сдиркой была в пределах 0,2 — 0,3 мг/л. Для создания на поверхности электролиза защитной пены высотой 3-4 см, предохраняющей от испарений, в раствор добавляют раствор солодкового корня. Сдирку цинка производят один раз в сутки. Подъем катодов с цинком из ванн производятся с помощью специального захвата на 8 катодов, подвешенного на конце подъемного троса тельфера, смонтированного на кран-балке. После взвешивания катодный цинк направляют на переплавку.
Исследование ВГ и показателей качества электроэнергии проводилось с использованием приборов комплексного контроля ПКК-57 (сертификат № 29750-05 от 31.08.2005 г) и AR-5. Измерения на предприятии проводились в трехфазной трехпроводной системе.
В энергосистемах с изолированной нейтралью силового трансформатора значения фазового напряжения не определяются. В рассматриваемом случае определяются только межфазные напряжения {U\2, С/23), значения токов в фазах (г) (I,) и суммарное значение мощностей. При этом одна из этих трех фаз (например, фаза 2) берется в качестве опорной (базовой) для сравнения. Суммарные значения активной, реактивной и полной мощности выражаются как сумма (индицируемых на дисплее) значений измеренных двумя приборами: соответственно ваттметрами, ВАрметрами, ВАметрами:
Схема подключения прибора в трехфазной трехпроводной системе показана на рисунке 2.5. Рис. 2.5. Схема подключения прибора ПКК-57 в трехфазной трехпроводной
Измерения на приборе проводились в режиме анализатора (ANALYZER). В этом режиме прибор позволяет осуществить следующие функции: а) показ (в виде численных значений или формы) в реальном време ни электрических параметров питающего напряжения в однофазных и трехфаз ных системах электроснабжения (СЭС) (с зануляющим проводником и без не го) и анализ гармонических составляющих напряжения и тока; б) непосредственное (прямое) измерение энергии (без сохранения); в) сохранение — запись во внутреннюю память прибора измеренных текущих значений параметров в виде «Snip» графики; г) одновременная регистрация среднеквадратичных (RMS) значений напряжения и тока; соответствующих их гармоник (k(U)n, кфп, где п — номер гармоники); значений мощности: активной (Р), реактивной: индуктивной (QL), емкостной (Qc), полной (S); соБф по индуктивной (соБфД емкостной (соэфс) нагрузкам; расхода энергии: активной (Wa, Вт ч), реактивной, (Wp ), Wp(C), вар ч), полной (W, ВА ч), аномалий напряжения (регистрация импульсов пере напряжения, провалов напряжения, отклонения частоты, кратковременного перенапряжения и др.) с разрешением по времени от 10 мс.
Математическая обработка результатов исследования по представительным выборкам (п 30) коэффициентов п-ой гармонической составляющей напряжений {кщп)} и токов {кцп)} проводилась с использованием программы MathCad 11 «Статистическая обработка экспериментальных данных». Численные характеристики параметров рассчитывались по формулам:
Обзор существующих методов расчета ФВП и ФВС в несинусоидальность напряжения
В большинстве литературных источников анализ эмиссии высших гармонических составляющих проведен на базе СЭС, представленной одной выделенной шиной-точкой общего присоединения (ТОП) значительно упрощая решение поставленной задачи. Так, в работах [19, 37, 63, 73] система «СЭС -нелинейный потребитель» представлена эквивалентной схемой замещения, где система электроснабжения представлена источником тока гармонической составляющей 1с и полным сопротивлением системы Z& а искажающий потребитель - соответственно 7п и ZJJ (рис.3.3.). По данным работы [44], одной из первых в данной области, этот способ представления схемы замещения получил название эквивалентной цепи Нортона.
Алгоритм определения фактического вклада потребления (ФВП), предлагаемого в выше упомянутых работах, приведен ниже.
Для определения фактического вклада потребителя и СЭС авторы предлагают использовать соответственно следующие выражения где UT И IT — комплексные гармонические или симметричные составляющие напряжения в точке общего присоединения и тока в цепи питания потребителя.
Полные входные сопротивления СЭС Zc и потребителя Zn находятся из выражения: U.T=ZC(I_C + 1_т) = Zn (In - IT) . (3.7) Если произошло изменение со стороны СЭС, тогда выражение имеет вид: UT+AUT=ZU(IU-(IT+AIT)), тогда Zn=- . (3.8) А1Т Если же изменение со стороны потребителя, тогда: UT+AUT=ZC(IC+(IT+AIT)), (3.9) Следовательно: Zc= = -. (3.10)
В силу своей физической природы вещественные части комплексных входных сопротивлений Zn и Zc не могут быть отрицательными, т.е. Re(Zc) 0 и Re(Zn) 0.
Измеряя приращения напряжения AUj и АІТ в точке общего присоединения (ТОП) можно получить входные сопротивления Zn и Zc в зависимости от знака действительной части комплексного сопротивления: если знак положительный, то получаем входные сопротивления электрической системы Zc, если знак отрицательный, тогда — входные сопротивления потребителя Zn.
Эквивалентная схема замещения, предложенная в работе [96] несколько отличается от рассмотренной ранее (рис.3.3). Авторы работ, для расчета высших гармонических составляющих предлагают использовать метод баланса искажающих мощностей. Для каждой и-ой гармоники электрическая система и потребитель относительно точки общего присоединения (ТОП) (узел і) представляются как двухполюсники, состоящие из источников тока и входного сопротивления, которое представлено параллельно включенными активной и реактивной составляющими (рис.3.4).
Ток эквивалентного источника тока сети равен: /cin= V А т I п, где Аут — коэффициент передачи тока и-ой гармонической составляющей от источника тока в узле у, в узле і при коротком замыкании в узле j ; т — количество узлов сети (здесь значение индексов сохранено авторское: г/п — генерация/потребление; с/н - сеть/нагрузка; / - номер узла; п — гармоника). В узле /" для каждой гармонической составляющей существует баланс токов: гсіп гніп U in { Jcin ніп) J in { "сіп "ніп/ \lncain Іпнаіп) J \-l-ncpin Іпнріп/ э \p ! ) где Ircin, Ігніп — генерация токов n-ой гармонической составляющей источниками тока; Іпсаіп, Іпнаіп - поглощение тока активными проводимостями; Іпсріт Іпнріп - поглощение токов и-ой гармонической составляющей реактивными проводимостями.
Балансу токов и-ой гармонической составляющей в узле соответствует баланс искажающих мощностей, получаемый при умножении токов на номинальное напряжение узла U\: U] [Ircin+IrHin]=Ui Uin(Gcin+GHin) + Uі Uin-j- (ЬСт+Ь,,іп) = U1 {! ncain 1 twain/ J U Ґ ( -псріп - пнріп/ \У ) Л- гытР - - тт іч- псаіп" _- пнаіп/ "Vv- ncpin пнріпЛ (3.13) где Drcim DrHpin - генерация искажающей мощности в узле сетью и нагрузкой; Dncaim DnHam;D„Cpim DnHpm - поглощение искажающей мощности в узле активными и реактивными проводимостями системы и потребителя.
Составляется уравнение баланса мощности при расчетном уровне напряжения п-ой гармонической составляющей Upn, равном допустимому значению напряжения гармоники. Для этого правая часть уравнения умножается и делится одновременно на величину расчетного уровня напряжения и-ой гармонической составляющей Upn и выносится за скобки величина напряжения Uin.
Методика исследования, анализа и расчета ZpE3, ФВП (ФВС) на основе активного эксперимента - включения (отключения) батареи статических конденсаторов (БСК) в ТОП
Одним из основных методов определения сопротивлений Zc, ZJI и ФВП является активный эксперимент, связанный с включением батареи конденсаторов в ТОП.
На рисунке 4.1 представлена схема активного эксперимента для измерений сопротивлений Zc и Zn . Измерения и расчеты производятся в последовательности: 1) измеряются ток 1тп—так, вызванный изменением параметров потреби теля (батарея конденсаторов относительно точки измерения относится к потре бителю) и напряжение UTni при выключенной батарее конденсаторов 2) осуществляются измерения токов 1ТП2 и напряжения Цтп2 после вклю чения батареи конденсаторов; 3) по отношению изменений напряжения AUr =UT2-Un к изменению тока А/7772 = 1тл2 - Ітпі вычисляется сопротивление системы Zc. 4) измеряются ток Ітс -ток, вызванный изменением параметров системы (батарея конденсаторов относительно точки измерения относится к системе) и напряжение UJCI при выключенной батарее конденсаторов 5) осуществляются измерения токов 1ТС2 и напряжения UJC2 после вклю чения батареи конденсаторов; 6) по отношению изменения напряжения Ш_т к изменению тока Ь-Ітс =LTC2 LTC\ вычисляются сопротивления Zn . 7) по выражениям (3.25) и (3.27) определяются ФВП и ФВС. Среди преимуществ такого активного эксперимента можно выделить следующие: 1. Батареи конденсаторов являются распространенным элементом СЭС и могут быть использованы для измерения сопротивлений Zc , 2. Проводимость батареи конденсаторов увеличивается пропорционально частоте гармонической составляющей и поэтому на высших гармонических составляющих изменение токов 1ТП и 1ТС после включения батарей существенно, что уменьшает погрешность в определении сопротивлений. 3. В данном эксперименте имеется возможность изменения параметров системы (потребителя) с последующим замером и расчетом параметров со стороны системы (потребителя).
Активный эксперимент, проведенный на подстанции №7 завода «Электроцинк» Подстанция №7 питается от ГПП «Э-2» от трансформатора мощностью 32 МВА напряжением 110/6 кВ по линии Э232, протяженностью 320 м. Однолинейная схема электроснабжения подстанции приведена на рисунке 4.2. Из рисунка 4.2 видно, что от подстанции питаются 7 трансформаторов и установлена БСК, Цн = 6,3 кВ, Q = 900 квар.
Источниками ВГ являются индукционные плавильные печи типа ИС-20, ИС-40, подключенные к печным трансформаторам Т1-Т6 типа ТМ (ТМН, TDV)-1000/10. Схема электроснабжения индукционной печи приведена на рисунке 4.3. С помощью прибора ПКК-57 проведены измерения электрических параметров и коэффициентов искажения синусоидальности кривых токов и напряжений в ТОП 6 кВ фидера 703 (В эквивалентной схеме БК входит в состав системы) и фидера Э232 (В эквивалентной схеме БК входит в состав потребителя) до и после включения БСК. Во время эксперимента остальные индукционные печи запитали по линии Э 205. Результаты измерений приведены в таблице 4.1.А, Б. Целью активного эксперимента (отключение-включение БСК) является определение ZpE3 высших гармонических в ТОП и ФВП (ФВС).
