Введение к работе
Актуальность темы. Устойчивость электротехнических систем (ЭТС) промышленных предприятий определяется в первую очередь составом самой ЭТС, параметрами её элементов: трансформаторов, кабельных линий, электроприводов. Система внешнего электроснабжения в задаче определения показателей устойчивости представляется в виде эквивалентного источника ЭДС за сопротивлением. Состояние энергосистемы может быть описано совокупностью параметров: ЭДС прямой, обратной и нулевой последовательности; эквивалентным сопротивлением прямой, обратной и нулевой последовательности; углами между системами векторов прямой и обратной, прямой и нулевой последовательностей; частотой.
Изменение режима работы генерирующих мощностей, работа регулировочных устройств, осуществление коммутаций элементов электрической сети приводят к изменению значений вышеуказанных параметров. Значительно изменяются параметры энергосистемы в аварийных режимах, приводящих к возникновению на вводах электротехнических систем промышленных предприятий провалов и прерываний напряжения.
Предприятия нефтяной и газовой промышленности, в силу сложности и
напряженности непрерывных технологических процессов, чувствительны даже к
кратковременным возмущениям. При этом длительность провала может
варьироваться от десятков миллисекунд до нескольких секунд, а восстановление
нормального режима работы технологических линий порой занимает
продолжительное время, вплоть до нескольких суток. Сырье, находящееся в
производстве, отбраковывается. Также браком оказывается продукция,
производимая во время восстановления технологии объекта, длительность которого иногда может превышать сутки. 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. Предприятия с непрерывными технологическими процессами вынуждены, ввиду отсутствия нормативно-правовой базы, самостоятельно заботится о повышении надежности электроснабжения и устойчивости собственных ЭТС, применяя дорогостоящие технические решения.
Вопросы устойчивости промышленных электротехнических систем исследованы в ряде научных работ, при этом часть задач устойчивости ЭТС требует дальнейшего изучения и решения. В частности требуют дальнейшего изучения электромеханические переходные процессы и устойчивость ЭТС при внешних возмущениях, сопровождаемых нарушением симметрии питающего напряжения. Дополнительного изучения требует вопрос влияния на устойчивость ЭТС частоты питающего напряжения, это обусловлено тем, что вступивший в действие (в замен ГОСТ 13109-97) ГОСТ Р 54149-2010 расширил диапазон допустимых отклонений частоты в системах с автономными источниками питания.
Таким образом, данная работа посвящена исследованию влияния параметров системы внешнего электроснабжения (несимметрии и частоты питающего напряжения) на устойчивость ЭТС и разработке рекомендаций по повышению устойчивости электротехнических систем промышленных предприятий, что является актуальной научной и технической задачей.
Целью работы является исследование влияния частоты и несимметрии напряжения на входе промышленных ЭТС на их устойчивость, разработка рекомендаций по расчету показателей устойчивости и поиск решений по её повышению.
Для достижения указанной цели было необходимо решить следующие основные задачи:
-
Определить область возможных сочетаний напряжений прямой и обратной последовательностей на входе промышленных электротехнических систем.
-
Разработать математическую модель синхронного двигателя для расчета переходных процессов при несимметричных возмущениях в системе внешнего электроснабжения.
-
Исследовать влияние несимметричных провалов напряжения на устойчивость синхронного электропривода.
-
Исследовать влияние частоты и её изменения на устойчивость асинхронных электротехнических систем.
-
Сформировать предложения и рекомендации, способствующие повышению точности расчета.
Объекты исследования. Объектами исследования в предлагаемой работе являются ЭТС предприятий нефтяной и газовой промышленности. Для установления закономерностей изменения показателей устойчивости используется тестовая электротехническая система. В качестве иллюстраций результатов исследований и примеров их подтверждения в работе используются ЭТС реальных промышленных предприятий и лабораторные эксперименты.
Методы исследования. В работе использовались положения и методы теории электрических цепей, теории электромагнитного поля, теории электрических машин, теории электропривода, математического анализа, математического и компьютерного моделирования электротехнических систем, теории устойчивости электротехнических систем.
Научная новизна результатов исследований:
-
Определена и подтверждена экспериментально область возможных сочетаний напряжений прямой и обратной последовательностей на входе промышленных электротехнических систем.
-
Разработана и подтверждена экспериментально математическая модель синхронного двигателя для исследования несимметричных провалов напряжения, в том числе в пределах периода синусоиды питающего напряжения.
-
Определены методы повышения устойчивости синхронной электродвигательной нагрузки при несимметрии питающего напряжения.
-
Установлены зависимости показателей устойчивости ЭТС от частоты питающего напряжения, изменяющейся в пределах установленных ГОСТ Р 54149-2010. Установлены факты потери устойчивости ЭТС в случае скачкообразного и непрерывного увеличения частоты.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
Область возможных значений напряжений прямой и обратной последовательностей на входе электротехнической системы при внешних возмущениях.
-
Математическая модель синхронного двигателя, учитывающая несимметрию питающего напряжения.
3. Закономерности поведения асинхронных ЭТС при изменениях частоты питающего напряжения в пределах, установленных ГОСТ Р 54149-2010 для изолированных систем электроснабжения.
Обоснованность и достоверность результатов обеспечиваются корректностью исходных предположений и допущений, хорошей сходимостью расчетных и экспериментальных результатов, использованием апробированных методов математического моделирования электротехнических систем, апробированных программных средств расчёта режимов ЭТС.
Практическая значение работы.
1. Определена область сочетаний напряжений прямой и обратной
последовательностей на входе ЭТС при возмущениях в системе внешнего
электроснабжения. Данные результаты могут быть использованы для оценки
необходимости учёта обратной составляющей напряжения в задачах расчёта
устойчивости промышленных ЭТС.
-
Определена возможность применения метода, основанного на анализе траекторий провалов напряжения, расположенных на области сочетаний напряжений прямой и обратной последовательностей, для качественной оценки системы внешнего электроснабжения.
-
Проведено исследование устойчивости синхронных электроприводов при несимметрии питающего напряжения. Предложены мероприятия по повышению устойчивости СД.
-
Выполнен анализ показателей устойчивости ЭТС при изменении частоты в расширенных пределах. Результаты анализа необходимо учитывать при управлении уже существующими электротехническими системами и при проектировании новых, если их питание осуществляется от изолированных систем 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 "Новые технологии в газовой промышленности" (Москва, 2011); Технической конференции «Совещание главных специалистов предприятий ЗАО "СИБУР Холдинг" (Москва, 2011); IX Всероссийской научно-технической конференции "Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России" (Москва, 2012); XLII Всероссийской научно-практической конференции (с международным участием) с элементами научной школы для молодежи "Федоровские чтения - 2012" (Москва, 2012); Восьмой международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Энергия-2013" (Иваново, 2013); Юбилейной десятой Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов "Новые технологии в газовой промышленности" (газ, нефть, энергетика) (Москва, 2013); I 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); XLIII международной научно-практической конференции " Федоровские чтения - 2013" (Москва, 2013).
Публикации. По теме диссертации опубликовано пятнадцать 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, 4 приложений. Общий объем работы составляет 163 печатные страницы. Работа включает 64 рисунка, 26 таблиц и библиографию из 56 наименований.
