Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ литературных источников и постановка задач исследования 7
1.1. Анализ литературных источников 7
1.2. Постановка задач исследования 24
2. Определение зависимостей и моделирование защиты электрооборудования и сетей от провалов напряжения .. 26
2.1. Оценка и характеристика провалов напряжения в распределительных электрических сетях металлургических предприятий 26
2.2. Разработка моделей запрета автоматического включения резервного питания на провалы напряжения 34
2.3. Моделирование режимов устройства динамического восстановления напряжения для распределительных сетей систем электроснабжения 50
2.4. Построение математических моделей для прогнозирования провалов напряжения на неповрежденных участках электрической сети 61
2.5. Расчет безотказности электроснабжения с учетом отказов защитных коммутационных аппаратов при провалах напряжения 69
3. Оценка функционирования электротехнологических систем листопрокатных производств 81
3.1. Электроснабжение листопрокатного производства ОАО «НЛМК» 81
3.2. Определение механических характеристик агрегатов технологических установок металлургических производств 88
3.3. Зависимость условий самозапуска и устойчивости электродвигателей от кратковременных нарушений электроснабжения 98
3.4. Оценка вероятности безотказного электроснабжения листопрокатного производства с ограничением провалов напряжения 109
4. Технико-экономический анализ ущерба от провалов напряжения при нарушениях электроснабжения 117
4.1. Определение экономических показателей потребительской стоимости безотказности электроснабжения 117
4.2. Методика оперделения ущерба при кратковременных нарушениях в электроснабжении листопрокатного производства 121
4.3. Технико-экономическая оценка эффекта от повышения безотказности электроснабжения листопрокатного производства 125
Заключение... 133
Библиографический список литературы
- Постановка задач исследования
- Разработка моделей запрета автоматического включения резервного питания на провалы напряжения
- Определение механических характеристик агрегатов технологических установок металлургических производств
- Методика оперделения ущерба при кратковременных нарушениях в электроснабжении листопрокатного производства
Введение к работе
Актуальность работы. Развитие энергоемких отраслей промышленности в России сопровождается ростом потребления электроэнергии и требований для непрерывного электроснабжения. Тем не менее, создание и эксплуатация системы, характеризующейся 100% вероятностью безотказной работы, технически и экономически невозможно из-за случайных отказов оборудования и внешних возмущений. Одним из способов обеспечения эффективности функционирования электроснабжения листопрокатных производств с провалами напряжения является автоматическое включение резервного питания (АВР). Существенный недостаток известных приемов реализации АВР – возможность срабатывания секционного выключателя при коротком замыкании на резервируемых шинах, отходящих линиях при скрытых отказах выключателя, недопустимых набросах мощности при подключениях нагрузки. При этом увеличивается и вероятность возникновения аварийных режимов в электрической сети. Возрастают ущербы от брака и недоотпуска готовой продукции, простоев оборудования, увеличения электрических потерь. Поэтому задача совершенствования резервирования путем разработки способов комбинированного запрета АВР на провалы напряжения с динамическим восстановлением электроснабжения является актуальной.
Целью работы является обеспечение эффективности функционирования систем электроснабжения листопрокатных производств посредством разработки способов и средств ограничения провалов напряжения в распределительных сетях внутризаводских подстанций и прогнозирования кратковременных нарушений электроснабжения на неповрежденных участках.
Идея работы заключается в построении алгоритма управления резервированием питания электроприемников секционированных участков сети, при котором учитываются признаки появления провалов напряжения от устойчивых коротких замыканий и недопустимых набросов мощности на подключаемом резервном вводе, и компенсации провалов за счет подведения дополнительного напряжения, величина которого регулируется динамически с восстановлением.
Научная новизна заключается:
- в разработанных способах комбинированного запрета включения резерва, отличающихся сравнением четырех параметров режимов работы оборудования, позволяющих осуществлять запрет АВР на провалы напряжения;
- в разработанном способе сглаживания провалов напряжения посредством подведения дополнительного напряжения, отличающегося тем, что напряжение динамически регулируется преобразователем по схемам тиристорного управления с принципом контроля широтно-импульсной модуляции;
- в созданных математических зависимостях для прогнозирования провалов напряжения на неповрежденных участках электрической сети, отличающихся в использовании признаков появления провалов, позволяющих определить число допустимых при резервировании нарушений и перерывов в электроснабжении.
По разработкам получено два решения о выдаче патентов на изобретения (заявки №2007147534/09(052101), №2007147536/09(052103) от 19.12.2007 года).
Практическая ценность состоит в реализации комбинированного запрета АВР с динамическим восстановлением напряжения на подстанциях с помощью разработанных способов и средств минимизации провалов в электроснабжении листопрокатных производств, что позволяет сократить длительность перерывов электропитания. Программная реализация способов запрета АВР обеспечивает дистанционное управление резервированием. Математические модели прогнозирования провалов напряжения позволяют определять их число на неповрежденных участках. Методика оценки безотказности электроснабжения при учете скрытых отказов применима для построения систем непрерывных производств со значительным числом коммутационных аппаратов.
Методы и объекты исследования. При выполнении работы использованы методы математической статистики, математического моделирования и инженерного эксперимента. Теоретические изыскания сопровождались разработкой математических моделей. Объектом исследования являлось автоматическое резервирование питания систем электроснабжения листопрокатных производств. Осуществлена программная реализация решения задач с использованием ЭВМ.
Достоверность результатов и выводов подтверждена выборкой опытных данных, формулировкой задач исследования, исходя из анализа электрических режимов подстанций, работающих с двусторонней схемой питания; использованием положений теорий электрических сетей; математическим обоснованием созданных зависимостей; сопоставимостью результатов, установленными при теоретических исследованиях, с экспериментальными данными, полученными в производственных условиях филиала ОАО «МРСК Центра» - «Липецкэнерго» - «Липецкие электрические сети» с использованием измерительных устройств.
Реализация работы. Научные и практические результаты диссертационной работы использованы в электросети филиала ОАО «МРСК Центра» - «Липецкэнерго» - «Липецкие электрические сети» в качестве способа комбинированного запрета автоматического включения резерва на провалы напряжения. Его применение позволяет повысить вероятность безотказной работы системы электроснабжения с сокращением времени восстановления электроснабжения в 1,13 раза. Ожидаемый экономический эффект составляет 398,5 тыс. руб. в год. Разработки внедрены и в учебный процесс ЛГТУ по специальности: «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений».
Апробация работы. Положения в диссертации докладывались и подробно обсуждались на международных научно-технических конференциях «Энергетика и энергоэффективные технологии» (Липецк, 2006-2007); II международной интернет-конференции «Энергообеспечение и безопасность», международной конференции «Инновационные технологии механизации, автоматизации и технического обслуживания в АПК» (Орел, 2008 г.) и международной научно-практической конференции «Современные проблемы науки» (Тамбов, 2008 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка использованной литературы и четырех приложений. Общий объем диссертации – 195 с., в том числе 135 с. основного текста, 30 рисунков, 6 таблиц, библиографический список литературы из 117 наименований на 11 с. и четыре приложения на 49 страницах.
Постановка задач исследования
На основании приведенного анализа литературных источников целесообразно сформулировать задачи исследований, реализуемых в работе. Задачи направлены на изучение процессов идентификации, локализации и минимизации отказов в распределительных сетях системы электроснабжения предприятия от провалов питающего напряжения различной этиологии. Предполагается проводить исследования влияний отказа оборудования, средств защиты и автоматики листопрокатных производств на эффективность электроснабжения их технологических агрегатов. На основании данных исследований реализуется комплексный подход к оценке устойчивости функционирования электроустановок при кратковременных нарушениях электроснабжения. При этом анализ возможных режимов работы основного силового и коммутационного электрооборудования листопрокатных производств и условий их безотказной эксплуатации должен быть связан с динамикой воздействия и частотой провалов напряжения. Одним из главных этапов является исследование и создание способов и средств минимизации, а также полного устранения негативных последствий от нарушений в электроснабжении ответственных агрегатов листопрокатного производства.
Для достижения указанных целей в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи: - формирование статистических показателей эксплуатации оборудования и распределительных сетей систем электроснабжения производств; - оценка причинно-следственных характеристик провалов питающего напряжения и способов их минимизации; - оценка поведения оборудования электрических систем, а также реакции средств защиты и автоматики при провалах напряжения; - разработка алгоритма локализации провалов в распределительных сетях подстанций от кратковременных нарушений электроснабжения; - создание способа восстановления электроснабжения на поврежденных участках сети с компенсацией провалов напряжения на стороне нагрузки; - построение математических моделей для прогнозирования провалов напряжения на неповрежденных участках электрической сети; - определение устойчивости и эффективности электроснабжения технологических процессов листопрокатных производств от провалов напряжения; - создание методики повышения безотказности систем электроснабжения листопрокатных производств на основе предупреждения и компенсации провалов напряжения посредством комбинированного запрета включения резерва.
Под провалом принято понимать кратковременное снижение или полную потерю напряжения. Физически это означает, что требуемая энергия не поступает к нагрузке. Последствия здесь могут быть весьма серьезными в зависимости от ее назначения и характера. Параметрами провала напряжения являются его длительность Atn и величина остаточного напряжения 5Un, выражаемая в
процентах от номинального (рис. 2.1). При этом под падением напряжения считают относительно длительное его снижение. Как правило, такой прием проводится для снижения нагрузки в периоды максимума потребления энергии или снижения возможного ее наличия в сравнении со спросом.
Известно - электродвигатели, включая установки с регулируемым приводом, особенно уязвимы перед провалами напряжения, поскольку нагрузка все еще требует энергии, которой уже недостаточно. В данном случае исключением является инерция движущихся частей. В системах с несколькими электроприводами управляющие элементы могут подать сигнал на отключение двигателя при разных значениях напряжения и применить различные принципы замедления. В свою очередь это приводит к потере контроля за процессами непрерывных металлургических производств.
На сегодняшний день признаны две основных причины провалов напряжения, а именно: подключение значительных нагрузок потребителем или неисправности на смежных электрически связанных участках цепи. При включении мощных электродвигателей пусковые токи могут в разы превышать номинальные. Если цепи и кабельное хозяйство рассчитаны только на номинальные значения, то пусковые токи вызовут снижение напряжения, как в питающей сети, так и на стороне нагрузки.
Разработка моделей запрета автоматического включения резервного питания на провалы напряжения
Если короткое замыкание возникло на I секции шин трансформатора IT, защитой отключается выключатель Q2. В этот момент времени блок контроля тока фиксирует его значительное увеличение в системе основного источника, а затем выдает сигнал вида 1сш1 - х на устройство обработки параметров. Одновременно с этим блок контроля напряжения фиксирует либо его исчезновение, или многократное снижение на I секции и дает на УОП сигнал вида Uc ш, — 0.
Через заданную выдержку времени защита отключает аппарат Q2, оснащенный устройством автоматического повторного включения (АПВ). При этом исчезают ток короткого замыкания и линейные напряжения на шинах I секции. Эти события регистрируются соответствующими блоками БКТ1 и БКН1, которые формируют команды вида 1сш1—»0, Uc ш, -» 0. В устройстве обработки параметров проводится вторичный анализ поступающей с блоков информации. На следующем этапе УОП производит вынужденную задержку времени tyon, равную длительности бестоковой паузы АПВ вводного выключателя
Это необходимо для определения характера короткого замыкания на шинах подстанции в отношении его устойчивости. Если оно самоустраняющееся, то в результате АПВ выключателя появится ток КЗ и линейные напряжения, что фиксируется блоками БКТ1 и БКН1 с реализацией команд на УОП. В силу соблюдения условия (2.11), момент окончания задержки времени tyon совпадает с моментом поступления сигналов с блоков контроля тока и напряжения. На этом основании устройство обработки параметров формирует и падает команду искусственного запрета АВР. В результате секционный выключатель Q7 не срабатывает и II секция шин резервного ввода №2 не подвергается действию токов устойчивого короткого замыкания основного источника. Однако если КЗ произошло на отходящих линиях за выключателем (на рис. 2.4 Q5 и Q6), то развитие ситуации будет подчиняться иному алгоритму. Из-за отключения выключателя Qj исчезнет и ток короткого замыкания, и напряжения на шинах:
После окончания задержки АПВ tmB,Q . блоки контроля напряжения и тока фиксируют их рабочие значения: UCU] = Upa6, Ісш = 1раб, что характеризует самоликвидацию короткого замыкания.
Бестоковые паузы автоматического повторного включения выключателей Q2 и Q5 задаются неодинаковыми по времени. Поэтому момент поступления сигналов с БКТ1 и БКН1 не совпадает с вынужденной задержкой УОП:
Устройство обработки параметров не сможет выдать команду на запрет о включении резерва, и секционный выключатель Q7 включится. Следовательно, питание электроприемников линий Л1 и Л2 будет осуществляться со стороны резервного ввода №2. В случае двустороннего АВР схема запрета выполняется аналогичным образом. При этом в систему добавляются контролирующие блоки тока (БКТ2) и напряжения (БКН2) для II секции шин.
Отметим, что запрет АВР при устойчивых коротких замыканиях сегодня является наиболее целесообразным мероприятием защиты электроприемников от провалов напряжения и повышения безотказности их работы. В данном случае главной задачей является недопущение распространения действия токов КЗ на неповрежденные участки сети. Большинство посадок напряжения коммутационного характера вызвано именно короткими замыканиями. В обобщенном виде замыкание можно рассматривать как провал напряжения глубиной 100% с достаточной длительностью. Следовательно, реализация запретов АВР на внутризаводских подстанциях металлургических производств позволяет минимизировать частость появления провалов, т.е. Fn -» min. Кроме того, оптимизируется набор и обработка статистических данных. В таком случае следует определяться только с характером устойчивости аварии. Необходимо отметить, что рассмотренная ситуация запрета автоматического включения резервного питания не является единственной. Дело в том, что электроустановки и токоведущие элементы распределительных сетей предприятий металлургического комплекса обычно рассчитаны только на номинальные значения токов. Когда схема АВР действует при неустойчивом коротком замыкании, нет необходимости в запрете. С другой стороны, подключение нагрузки может сопровождаться бросками мощности, если резервная система не обладает достаточными ее запасами. Это обязательно вызовет снижение напряжения в питающей сети и на стороне основной нагрузки, что приведет к серьезным авариям и сбою технологического процесса всего производства. Во избежание этого предлагается реализовывать запрет включения АВР на провалы напряжения. Схема подобного запрета должна включать себя устройство, состоящее из блоков контроля рабочей мощности выделенной нагрузки (БКМ) и резервной возможности подключаемого источника (БКР). Для двустороннего АВР необходимо предусмотреть наличие блоков на каждой секции. На рис. 2.5 представлена схема запрета АВР на провалы напряжения в системе электроснабжения понизительной подстанции. Как видно, она также как и схема на рис. 2.4, содержит устройство обработки параметров, однако дополняется промежуточным звеном сравнения данных (ЗСД). Рассмотрим принцип ее работы в случае, когда замыкание произошло на I секции шин, и оно носит проходящий характер.
Определение механических характеристик агрегатов технологических установок металлургических производств
Устройства релейной защиты срабатывают при повреждениях внутри баков маслонаполненных трансформаторов, многофазных КЗ в обмотках и на их выводах, однофазных замыканиях на землю, витковых замыканиях, внешних КЗ, перегрузках и понижении уровня масла. Газовая защита устанавливается на трансформаторах мощностью 1000 кВ-А и более. Автоматическое управление работой стана начинается от загрузки слябов в нагревательные печи и заканчивается взвешиванием, маркировкой и транспортировкой продукции.
Одним из методов оценки безотказности систем электроснабжения является учет технологических параметров листопрокатного производства при перерывах в электроснабжении промышленных агрегатов. Изменение технологического параметра за время перерыва питания приводного электродвигателя технологического агрегата определяется инерционностью технологического агрегата и системы, в которой он работает. После восстановления питания технологический параметр некоторое время продолжает по инерции снижаться, а затем достигает своего нормального значения.
Для системы электроснабжения ЛПП перерыв питания более чем на 0,1 с (провал напряжения) вызывает брак продукции. При этом происходит нарушение ритма прокатного производства. Простой технологических агрегатов ведет к снижению производительности и вызывает значительный недоотпуск металлопродукции. Подготовленные к прокату слитки за время простоя остывают и требуют дополнительного подогрева, а нагревательные печи требуют нагрева. После восстановления питания требуется не менее часа для достижения нормальной производительности всех агрегатов. Для сохранения бесперебойной работы технологического агрегата продолжительность перерыва в его электроснабжении не должна превышать величину, допустимую по условиям технологии, с одной стороны, и величину, допустимую по условиям самозапуска электродвигателя - с другой. Это неравенство удовлетворяет условиям технологического процесса при наличии общепринятых схем электроснабжения, с использованием дополнительных средств стабилизации систем электроснабжения при многократных и повторяющихся провалах напряжения.
Определение механических характеристик агрегатов технологических установок металлургических производств
Известно, что проверка асинхронного электродвигателя по развиваемому им моменту вращения практически сводится к проверке выполнения условия: где Мном - номинальный момент, развиваемый электродвигателем, выбранным по производительности механизма, Н-м; М0 - момент сопротивления механизма при п = 0, Н м; kmin - отношение минимального момента к максимальному (по ГОСТ 153-66 на асинхронные двигатели kmin =0,6-0,8); U.min - отношение минимального напряжения на зажимах двигателя, возникающего в момент включения двигателя при пуске, к его номинальному напряжению; куск коэффициент, учитывающий необходимость обеспечить достаточное ускорение при разбеге, сокращающее время пуска и предотвращающее перегрев двигателя длительными пусковыми токами, куск = 1,15-1,25.
Соблюдение (3.2) обеспечивает превышение вращающего момента двигателя над моментом сопротивления механизма при всех частотах вращения ротора (от 0 до пном), т.е. обеспечивает не только стационарный режим с номинальной нагрузкой, но и условия пуска.
Если условие (3.2) не удовлетворяется, то следует подобрать двигатель специального исполнения с улучшенной пусковой характеристикой, отвечающей указанному требованию. Увеличение мощности двигателя для обеспечения (3.2) экономически нецелесообразно и требует специального обоснования. Двигатели механизмов с тяжелыми условиями пуска необходимо дополнительно проверять на нагрев во время пуска. Эту проверку проводят по времени разворота агрегата двигатель-механизм из неподвижного состояния до номинальной частоты вращения решением уравнения движения двигателя: Миз6=Мд-Мс=1 , (3.3) где Мюб - избыточный (или динамический) момент двигателя, Н м; Мд - вращающий момент, развиваемый двигателем, Н м; Мс - момент сопротивления механизма, Н м; J - момент инерции вращающихся масс двигателя и механизма, Н м с2; ш - угловая частота вращения, с"1.
Как правило, заводы-изготовители вместо момента инерции для электродвигателей и механизмов дают величину махового момента G-D2, через которую момент инерции выражается как [111]:
Методика оперделения ущерба при кратковременных нарушениях в электроснабжении листопрокатного производства
При выявлении ущерба при кратковременных нарушениях длительность фактического простоя складывается из перерыва электроснабжения и времени, необходимого для обеспечения нормальной производительности агрегата, цеха. Существует минимально допустимая продолжительность нарушения в электроснабжении. Она не отражается на работе приемника вследствие инерционности электроприводных и технологических механизмов. При этом ее значение зависит от характера и специфики производства и колеблется от 1 с до 30 мин.
Принято различать два вида ущерба от нарушений (перерывов) электроснабжения - прямой и косвенный. В первый входят следующие составляющие: стоимость простоя рабочей силы; выход из строя или сокращение срока службы механизмов; убытки от энергетических потерь, связанных с утечкой пара, газа, сжатого воздуха и тепла печей; убытки от расстройства технологического процесса; ущерб от брака продукции, порчи сырья, материалов и полуфабрикатов, от увеличения затрат труда, материалов и энергии на единицу продукции. Косвенный ущерб - убытки от недовыпуска продукции вследствие перерыва питания. Для оценки экономических потерь в данном случае широко используются два способа. Первый основан на анализе отказов системы и прогнозировании. Он необходим при определении вероятных ущербов. Второй применим для расчета уже случившегося перерыва.
Среднегодовой ущерб от кратковременных нарушений электроснабжения листопрокатного производства, руб./год: удельный ущерб от недоотпуска электроэнергии, зависящий от времени перерыва и технологии производства, руб./кВт-ч; Энд - энергия, недоотпу-щенная приемникам вследствие нарушения электроснабжения, кВт ч/год. Величину Энд целесообразно определять по соотношению: где Эпотр - годовая потребность металлургического производства в электроэнергии, кВт Хсх - параметр потока отказов в электроснабжении нагрузки, 1/год.
Затраты, обусловленные аварийными или запланированными перерывами электроснабжения, можно рассматривать и как дополнительные среднегодовые издержки (ущерб): где Ен - нормативный коэффициент эффективности капиталовложений, равный для энергетики 0,12 1/год [55]; К, И - значения капиталовложений и издержек за год; Усг - ущерб от кратковременных нарушений электроснабжения.
В случае, когда технико-экономическу оценку необходимо провести за Т лет эксплуатации системы электроснабжения, то пользуются выражениями: где Ен п - нормативный коэффициент приведения для разновременных затрат, в [55] принимается для энергетики равным 0,08; К, - капиталовложения в t-ом году; т - год приведения затрат на эксплуатацию; 5Ht - приращение издержек в t-ом году по сравнению с годом (t-l); 5У, - среднее приращение годового ущерба предприятия в t-ом году. Отметим, что приращения издержек и ущербов определяются как:
Расчет удельного ущерба от перерывов электроснабжения заключается в обработке фактических данных о последствиях большого чила аварий. Поэтому оценки потерь (в рублях на прерывы электроснабжения) позволяют рассчитать полный экономический ущерб систем электроснабжения: где Nk - число видов аварий; Nm - общее чило приемников (или потребителей) электроэнергии; Л(т,к) - частота аварий с выводом m-го электроприемника из работы; уп - удельный ущерб на перерывы в электроснабжении; уч - удельный ущерб в рублях на час перерывов; x(m,k) - среднее время для восстановления питания m-го приемника при k-ой аварии.
При рассмтрении установок систем электроснабжения металлургических производств ущерб следует определять с учетом его удельных составляющих от недоотпуска энергии yk(AW) и прироста приведенных затрат на 1 кВт-час энергии, выработанной резервными источниками АСр: У = ZMAW)- AWMoCH) + АСр -(AWk(pe3) - AWk(ocii))), (4.17) k=l Ч где yk (AW) принимается в диапазоне 0,6-3,6 руб./ кВт час; АС изменяется от 0,01 до 0,016 руб./ кВт-час; AWk, )5 AWk, а) - недоотпуск энергии у основного источника питания и снижение ее выработки у резервного, кВт.
Как правило, yk (AW) при отключении приемников с заблаговременным предупреждением имеет минимальное значение 0,6 руб./ кВт час, в противном случае yk(AW) = 0,6 +6-е. Если причиной аварий электроснабжения являются ошибочные действия релейной защиты и автоматики, то yk (AW) = 18 є, где є отношение отключенной нагрузки к суммарной от предшествующих режимов. Однако, расчетные выражения справедливы при значениях є 0,2.
При анализе отдельных элементов электрической части выражение (4.12) использовать нецелесообразно. Для каждой единицы оборудования невозможно точно определить долю параметров К, И, Усг, рассчитанных от целого объекта. Кроме того, не удается обеспечить равентсво производственного эффекта. Есть только некоторые альтернативы решения указанной задачи
