Введение к работе
Актуальность проблемы
На современном этапе развития предприятия горной промьшіленности (ПГГТ) являются значительными потребителями реактивной мощности (РМ). Потребляемая ПГП РМ в часы максимума нагрузки энергосистемы может превышать суммарную активную мощность. Величина tg на шинах главных понизительных электроподстанций (ГПП) при отключенных средствах компенсации реактивной мощности (КРМ) составляет 0,8 - 1,2 и обусловлена потреблением РМ в первую очередь асинхронными двигателями и силовыми трансформаторами.
Задача КРМ на ПГП усложняется широким внедрением на основных машинах и механизмах вентильного электропривода. Вследствие этого в сетях ПГП появились высшие гармонические тока и напряжения, что снизило качество электроэнергии и надежность электроснабжения.
Для КРМ на ГПП и распределительных пунктах ПГП
преимущественно применяются секционированные
конденсаторные установки (СКУ), число ступеней которых определяется ступенчатостью суточных графиков потребления РМ и заданной точностью КРМ. Снижение искажений кривой тока и напряжения, вызванных наличием в сети высших гармонических составляющих достигается применением многофункциональных фильтро-компенсирующих установок (ФКУ), которые также генерируют РМ промышленной частоты. ФКУ могут выполняться одно-, двух- и многочастотными.
Вследствие общеизвестных достоинств СКУ являются одними из самых предпочтительных средств КРМ на ПГП. Отдельные конденсаторные батареи (КБ), входящие в состав СКУ, по данным изготовителей являются высоконадежными элементами со сроком службы от 15 до 30 лет. Однако фактический срок службы КБ в составе СКУ на ПГП не превышает 3-5 лет, а в отдельных случаях 1-1,5 года.
Преждевременный выход из строя КБ и коммутирующей их аппаратуры вызван перегрузками по току и напряжению, обусловленными низким качеством электроэнергии на шинах ГПП, резонансными явлениями на частотах гармоник, генерируемых вентильными электроприводами и сверхтоками, возникающими при включении параллельных секции СКУ.
Актуальность исследований, связанных с работой КБ в сети, содержащей вентильную нагрузку, а также в условиях большого числа переключений отдельных секций КУ подчеркивается в работах ведущих ученых в данной области, в том числе в
публикациях И.В.Жежеленко, Ю.С.Крайчика, Л.А.Кучумова,
Я.Ю.Солодухо, А.М.Берковского, Г.С.Кучинского,
В.П.Ермуратского, В.П.Ильяшова, Д.Бредди, П.Боджера, Дж.Ариллаги, З.Цока и др.
Исходя из изложенного, разработка СКУ повышенной надежности для сетей горных предприятий с вентильной нагрузкой является актуальной научно-технической задачей. При решении этой задачи должен быть рассмотрен ряд вопросов, включающий ограничение перегрузок КБ по току и напряжению до допустимых уровней, рациональное распределение подлежащей компенсации РМ между СКУ, синхронными двигателями и ФКУ, рациональное размещение ФКУ и конденсаторных установок в сети горного предприятия.
Целью диссертационной работы является разработка секционированной конденсаторной установки повышенной надежности для сетей горных предприятий с вентильной нагрузкой и фильтро-компенсирующими установками.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
анализ параметров системы электроснабжения (СЭС) и режимов потребления реактивной мощности ПГП;
разработка обобщенной математической модели СЭС с учетом параметров вентильной нагрузки, СКУ и ФКУ;
исследование амплитудно-частотных характеристик входного сопротивления СЭС ПГП с целью выявления диапазонов частот, в пределах которых имеют место последовательные и параллельные резонансы;
выявление уровней перегрузок СКУ током и напряжением высших гармонических;
исследование переходных процессов при включении секции СКУ и разработка рекомендаций по ограничению сверхтоков;
разработка методики определения основных схемно-техни-ческих решений при проектировании СКУ повышенной надежности.
Идея работы заключается в выявлении и учете влияния определяющих параметров системы электроснабжения и потребителей электроэнергии на перегрузки СКУ по току и напряжению и ограничении их схеми о-техническими методами на допустимом уровне.
Методы исследования. В работе использованы следующие методы исследования: методы эквивалентирования сложных электрических систем; частотный анализ параметров и режимов СЭС; численные методы решения систем алгебраических и дифференциальных уравнений с автоматическим изменением шага
интегрирования; математическое моделирование режимов в СЭС; экспериментальное определение параметров и показателей режимов электрооборудования и систем электроснабжения приборами непосредственной оценки и осциллографирую-щими приборами.
Научная новизна работы представлена следующими положениями:
разработана обобщенная математическая модель для оценки показателей несинусоидального режима работы СЭС горного предприятия с включением частичных емкостей высоковольтных кабельных линий, также активных сопротивлений элементов распределительной сети;
выявлены параметры и характеристики суточных графиков нагрузки, как объекта регулирования РМ с заданной точностью;
установлены диапазоны частот последовательных и параллельных резонансов между емкостью подключенной части СКУ и индуктивностью предвключенной сети;
определены кратности токовых перегрузок секционированных КУ высшими гармоническими составляющими;
установлены закономерности смещения резонансных частот при изменении таких независимых параметров, как опротивление питающей сети, мощность СКУ, подключенная мощность инейной нагрузки предприятия, а также длины участковых линий электропередачи, топология распределительной сети, частоты настроек и мощность ФКУ;
предложен метод расчета переходного процесса включения параллельной секции конденсаторной установки путем разделения всего процесса на три составляющие: высокой, средней и промышленной частоты;
разработана концепция выбора на стадии проектирования основных параметров секционированной конденсаторной установки повышенной надежности, достигаемой путем ограничения перегрузок батарей конденсаторов в установившемся и переходном режимах на допустимом уровне.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций
подтверждается достаточным объемом теоретических и
экспериментальных исследований, близкой сходимостью
расчетных и опытных данных.
Практическая ценность работы состоит в том, что:
определены число и мощности ступеней СКУ горных предприятий;
разработана программа, позволяющая проводить расчеты несшгусоидальных режимов, определить амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) входного сопротивления сети и выявить
кратности токовых перегрузок СКУ в условиях сети ПГП, содержащей вентильную нагрузку;
- обоснованы способы смещения резонансных частот посредством изменения независимых параметров сети;
разработана методика определения индуктивности реакторов, ограничивающих ток включения СКУ до допустимого уровня;
обоснована и практически реализована схема и приборное обеспечение для регистрации высокочастотного процесса включения секций СКУ.
Положения, выносимые на защиту.
1. Обобщенная математическая модель системы электроснаб
жения горного предприятия с вентильной нагрузкой, СКУ и ФКУ,
позволяющая адекватно установить показатели несинусо
идального режима работы сети. Точность отображения объекта
моделью достигается тем, что учитываются активные
сопротивления всех элементов сети и емкости линий электропередачи на землю и между отдельными фазами. Универсальность модели базируется на результатах анализа топологии и параметров СЭС горных предприятии, что дало возможность представить линейную нагрузку в виде совокупности четырех групп электроприемников, питающихся от шин ГПП 6-10 кВ, нелинейную нагрузку - источниками токов высших гармонических, СКУ - в виде базовой и трех регулируемых секций, соотношение мощностей которых составляет (0,4 - 0,6): 0,1:0,1:0,1 относительно максимальной РМ, потребляемой в часы наибольших нагрузок энергосистемы.
2. Установленные закономерности изменения кратности пере
грузок секций СКУ в установившемся режиме в зависимости от
вариации сопротивления питающей сети, числа и мощности
включенной части СКУ, мощности нагрузки, емкостей линий
электропередач на землю и между фазами, топологии
распределительной сети, частот настроек и мощностей звеньев
ФКУ, а также закономерности смещения резонансных частот в
область, несовпадающую с диапазоном частот кононических
высших гарнонических, генерируемых вентильными
преобразователями.
3. Выявленные закономерности изменения величины тока коммутации отдельных секций СКУ от вариации параметров конденсаторов, ошиновки, предвключенной сети и индуктивности токоограничивающего реактора.
Метод определения токов включения параллельных секции конденсаторной установки, путем представления переходного тока в виде совокупности трех независимых составляющих высокой, средней и промышленной частот.
4. Концепция выбора на стадии проектирования основных
параметров секционированных конденсаторных установок
повышенной надежности и размещения их в сети горного
предприятия, базирующаяся на анализе АЧХ входного
сопротивления сети, оценке параметров токов коммутации отдельных секций и выборе технических средств, ограничивающих перегрузки конденсаторных батарей на допустимом уровне.
Апробация работы. Основные положения диссертации
доложены и обсуждены на Ш и XI международных конференциях
"Автоматизация в горном деле" ICAMC (Острава, 1990г.;
Екатеринбург, 1992 г.), VI научно-технической конференции
"Технико-экономические проблемы оптимизации режимов
электропотребления промышленных предприятий"(Челябинск, 1991
г.), в I и П международных симпозиумах "Автоматическое
управление энергообъектами ограниченной мощности"
(Ленинград, 1991 г., Санкт-Петербург, 1992 г.), на конференции
молодых ученых "Автоматизация и механизация горных
работ" (Санкт-Петербург, СПГГИ, 1994 г.), а также на семинарах
кафедры электротехники и электроснабжения горных
предприятий Санкт-Петербургского горного института.
Публикации. По теме диссертации опубликовано шесть статей.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 109 страницах машинописного текста, содержит 53 рисунка, 14 таблиц, список литературы из 108 наименований и 5 приложений.
