Устойчивость промышленных электротехнических систем при несимметричных возмущениях в электрических сетях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Валов, Николай Викторович

• Валов, Николай Викторович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Валов, Николай Викторович

Введение.

Глава 1. Анализ характера кратковременных нарушений электроснабжения промышленных потребителей и мероприятий по защите узлов нагрузки.

1.1.Характер кратковременных нарушений электроснабжения.

1.2.Характеристика защит минимального напряжения.

1.3.Методы определения параметров границ устойчивости электротехнических систем.

1.4.3адачи исследования.

Глава 2. Математические модели элементов электротехнических систем для расчета электромеханических переходных процессов при несимметричных возмущениях.

2.1 .Задачи моделирования.

2.2.Модель переходных процессов асинхронных двигателей при несимметрии питающей системы напряжений.

2.3.Математические модели трехфазных трансформаторов.

2.3.1. Модель двухобмоточного трансформатора.

2.3.2. Модели многообмоточных трансформаторов.

2.4.Модели трансформаторов двойного питания.

2.5.Итоги исследований и выводы.

Глава 3. Анализ провалов напряжения при несимметричных аварийных режимах в электрических сетях.

3.1 .Причины возникновения и характер несимметричных провалов | напряжения.

3.2.Исходные положения моделирования провалов напряжения при несимметричных коротких замыканиях в электрических сетях.

3.3.Результаты расчетов несимметричных аварийных режимов.

3.4.Экспериментальные данные по аварийным несимметричным режимам в промышленных системах электроснабжения.

3.5.Режимы остаточных напряжений на стороне ниже 1000 В при однофазных коротких замыканиях в сетях 110 кВ.

3.6.Итоги исследований и выводы.

Глава 4. Математическое моделирование и анализ электромеханических переходных процессов в электротехнических системах при несимметричных возмущениях.

4.1 .Моделирование электромеханических процессов при несимметричных1 возмущениях в распределительных сетях промышленных электротехнических систем.

4.2.Основные алгоритмы расчета переходных.процессов в разомкнутой электротехнической системе предприятия при несимметричных возмущениях в системе электроснабжения.

4.3.Определение показателей устойчивости электротехнических систем при несимметричной системе ЭДС источника питания.

4.4.Влияние параметров источника питания и состава нагрузки на показатели устойчивости.

4.5.Уточнение влияния несимметрии провалов напряжения на параметры устойчивости электротехнических систем.

4.6.Учет обратной составляющей напряжения при выборе параметров защит минимального напряжения.

4.7.Итоги исследования и выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Устойчивость промышленных электротехнических систем при несимметричных возмущениях в электрических сетях»

Актуальность темы. Промышленные комплексы с непрерывными I технологическими процессами по требованиям к надежности электроснабжения электроприемников относятся к первой категории. Для таких потребителей электроэнергии предусмотрено наличие нескольких независимых источников питания. Одновременные длительные отключения источников маловероятны. Практика эксплуатации подтверждает, что недостаточная надежность электроснабжения промышленных комплексов с непрерывными производствами обусловлена не столько длительными, сколько кратковременными нарушениями электроснабжения, проявляющимися в узлах нагрузки в виде провалов напряжения I длительностью доли секунды. Такие провалы напряжения, обусловленные короткими замыканиями (КЗ) в протяженных внутренних и особенно внешних электрических сетях предприятия, могут приводить к потере устойчивости узлов с электродвигательной нагрузкой, сопровождаются массовыми отключениями электрооборудования. Особенно остро проблема устойчивости узлов нагрузки стоит для систем электроснабжения крупных нефтегазовых комплексов (нефте- и газоперерабатывающие заводы, нефтеперекачивающие станции магистральных нефтепроводов, электроприводные компрессорные станции магистральных газопроводов), I которые характеризуются большой установленной мощностью электроприводов и непрерывными технологическими процессами, что обусловливает их чувствительность к кратковременным нарушениям электроснабжения. Массовые отключения электрооборудования нефтегазовых комплексов приводят к большим экономическим потерям.

Ранее выполненные исследования в большей степени ориентированы на математическое моделирование, выявление закономерностей и разработку решений при симметричных возмущениях в электроэнергетических и электротехнических системах (ЭТС). Исследованию устойчивости при I несимметричных возмущениях посвящено значительно меньше работ, в то время как большинство провалов напряжения являются несимметричными ввиду того, что вызывающие их несимметричные возмущения (однофазные и двухфазные КЗ) возникают значительно чаще симметричных трехфазных КЗ. На долю несимметричных КЗ в распределительных и питающих сетях высокого напряжения (6 — 220 кВ) промышленных комплексов приходится до 90 % от общего числа КЗ, причем большая их часть приходится на сети внешнего электроснабжения. Исследованию устойчивости промышленных ЭТС при несимметричных возмущениях и посвящена данная работа.

Большой вклад в решение проблемы устойчивости электроэнергетических систем внесли В.А. Веников, A.A. Горев, Ю.Е. Гуревич, П.С. Жданов, К.П. Ковач, В. Лайон, Р. Парк, C.B. Страхов, Ю.Г. Шакорян и другие отечественные и зарубежные ученые.

Решению проблем устойчивости промышленных ЭТС посвящены работы С.И. Гамазина, В.Ф. Сивокобыленко, И.А. Сыромятникова и других. Диссертационная работа основывается на результатах, полученных в трудах указанных ученых, а также результатах исследований, выполненных в рамках научной школы «Надежность, устойчивость и безопасность ЭТС нефтяной и газовой промышленности», основанной профессором Б.Г. Меньшовым в Российском государственном университете нефти и газа имени И.М. Губкина.

Цель работы заключается в установлении закономерностей влияния несимметрии напряжения при характерных возмущениях в электрических сетях на показатели устойчивости промышленных ЭТС для повышения надежности работы непрерывных производств.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Разработать модели систем электроснабжения, позволяющие моделировать характерные несимметричные возмущения в сетях внешнего электроснабжения.

2. Выполнить численное моделирование несимметричных аварий в питающей сети для установления диапазона параметров несимметрии напряжения в основных узлах нагрузки ЭТС.

3. Выполнить анализ соответствия значений расчетных и экспериментальных параметров несимметрии напряжения при авариях в электрических сетях.

4. Разработать математические модели и алгоритмы расчета переходных процессов в разомкнутой ЭТС с асинхронными приводами при несимметричных возмущениях в электрических сетях.

5. Выполнить численное моделирование устойчивости ЭТС с асинхронными приводами при характерных несимметричных возмущениях и установить закономерности влияния несимметрии напряжения на показатели устойчивости.

6. Предложить рекомендации по выбору защит минимального напряжения (ЗМН) и их параметров, обеспечивающих наиболее полное использование запаса устойчивости ЭТС при несимметричных I возмущениях в электрических сетях.

Объекты и методы исследования. Объектами исследования явились промышленные ЭТС непрерывных производств нефтегазовой отрасли. В работе использовались положения и методы теории электрических цепей, теории электрических машин и электропривода, математическое и компьютерное моделирование ЭТС.

Научная новизна результатов исследований: 1. Разработанные схемные и математические модели систем электроснабжения позволяют моделировать характерные I несимметричные возмущения в сетях внешнего электроснабжения с учетом влияния электромагнитных процессов трансформаторов. Математические модели трансформаторов модифицированы с учетом магнитного насыщения стали сердечников.

2. С учетом влияния типов головных трансформаторов и удаленности места аварий впервые установлен и подтвержден по данным аварийных осциллограмм характерный диапазон коэффициента несимметрии напряжения в основных узлах нагрузки, позволяющий обосновано формировать возмущения при моделировании устойчивости ЭТС и учитывать реальный характер возмущений при решении вопросов выбора ЗМН.

3. Доказано, что в реальном диапазоне несимметрии питающего напряжения, границы устойчивости ЭТС определяются составляющей прямой последовательности и практически не зависят от составляющей обратной последовательности напряжения на основании чего уточнена формула для определения границы устойчивости ЭТС при несимметричных возмущениях.

Практическое значение работы:

1. Математические модели для моделирования несимметричных возмущений при авариях в сетях внешнего электроснабжения реализованы в программах ЭВМ и используются на практике для анализа аварийных режимов.

2. Для расчета параметров устойчивости ЭТС при несимметричных возмущениях разработаны расчетные процедуры, вошедшие в инженерную методику для газовой промышленности.

3. Рекомендации по выбору ЗМН и их параметров обеспечивают более полное использование запаса устойчивости, сокращают число массовых отключений электрооборудования многомашинных ЭТС, обеспечивая непрерывность технологических процессов. Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Модифицированные схемные и математические модели для моделирования несимметричных возмущений в сетях внешнего электроснабжения с учетом влияния электромагнитных процессов трансформаторов.

2. Результаты численного моделирования и обработки экспериментальных данных, позволившие установить диапазон параметров несимметрии питающего напряжения при несимметричных I возмущениях в сетях внешнего электроснабжения.

3. Результаты моделирования переходных процессов в ЭТС при несимметричных возмущениях в электрических сетях, позволившие доказать, что границы устойчивости ЭТС определяются составляющей прямой последовательности и практически не зависят от составляющей напряжения обратной последовательности.

4. Рекомендации, обеспечивающие более полное. использование запаса устойчивости ЭТС и сокращение числа массовых отключений и самоотключений электрооборудования при несимметричных I возмущениях в электрических сетях.

Обоснованность и достоверность результатов обеспечивается применением апробированных методов и средств исследования устойчивости промышленных ЭТС, корректностью выбора и применения математического аппарата, а также достаточным информационным обеспечением математического моделирования и подтверждается результатами численных экспериментов и данными, полученными в ходе эксплуатации Астраханского газоперерабатывающего завода (АГПЗ).

Апробация работы. Основные результаты и положения работы I докладывались и обсуждались на 62-й студенческой научной конференции «Нефть и газ - 2008», 9-й международной конференции «Новые идеи в науках о Земле», П-й Всероссийской научно-технической конференции «Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий» (2009 г.), Всероссийской научной конференции «Актуальные проблемы нефтегазового комплекса России — 2010», на научных семинарах кафедры теоретической электротехники и электрификации нефтяной и газовой промышленности РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина (2008-2011 гг.).

I 8

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе 1 в издании, рекомендованном ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы. Общий объем работы составляет 146 печатных страниц. Работа включает 50 рисунков, 27 таблиц и библиографию из 51 наименования.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Валов, Николай Викторович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработаны схемные и математические модели, позволяющие моделировать характерные несимметричные возмущения в сетях внешнего электроснабжения с учетом электромагнитных режимов трансформаторов. Математические модели трансформаторов дополнены возможностью учета магнитного насыщения стали сердечников.

2. В результате компьютерного моделирования с учетом типов трансформаторов, видов и удаленности аварий определен диапазон значений коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности, позволяющий обосновано формировать возмущения при моделировании устойчивости ЭТС.

3. Выполнен анализ соответствия значений расчетных и экспериментальных, определенных в результате обработки аварийных осциллограмм, показателей несимметрии напряжения питания, подтвердивший диапазон реальных значений коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности. I

4. Алгоритмы расчета электромеханических переходных процессов дополнены возможностью учета продольной несимметрии в ветвях внутренней части схемы, что позволяет дополнительно к КЗ моделировать и обрывы фаз в линиях сетей внутреннего электроснабжения.

5. В результате компьютерного моделирования электромеханических переходных процессов при возмущениях со стороны источника питания доказано, что границы устойчивости ЭТС с асинхронными приводами определяются составляющей питающего напряжения прямой последовательности и практически (с точностью до 5%) не зависят от составляющей обратной последовательности напряжения.

6. На основании предыдущего вывода предложено упростить формулу границы устойчивости при несимметричных возмущениях, ограничившись зависимостью времени динамической устойчивости I только от напряжения прямой последовательности.

7. Предложены рекомендации: по выбору ЗМН на базе фильтр-реле напряжения обратной последовательности с выбором уставки по напряжению прямой последовательности; по координации выбора номинальных напряжений и схем подключения катушек управления магнитных пускателей и контакторов со схемами и группами соединения обмоток питающих трансформаторов, направленные на сокращение числа массовых отключений электрооборудования при несимметричных возмущениях в электрических сетях.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Валов, Николай Викторович, 2011 год

1. Меньшов Б.Г., Ершов М.С., Яризов А.Д. Электротехнические установки и комплексы в нефтегазовой промышленности: Учебник для ВУЗов. М.: Недра, 2000

2. Гамазин С.И., Ставцев В.А., Цырук С.А. Переходные процессы в системах промышленного электроснабжения, обусловленные электродивгательной нагрузкой. М.: Издательство МЭИ, 1997

3. Гуревич Ю.Е., Либова Л.Е., Окин A.A. Расчеты устойчивости и противоаварийной автоматики в энергосистемах. М.: Энергоатомиздат, 1990.

4. Ершов М.С., Егоров A.B., Федоров В.А. Некоторые вопросы повышения устойчивости электроприводов многомашинных комплексов сIнепрерывными технологическими процессами при возмущениях в системе электроснабжения. Промышленная энергетика, 1992, №7.

5. Меньшов Б.Г., Шкута А.Ф., Федоров В.А., Ершов М.С., Егоров A.B. Астраханский ГПЗ: анализ надежности электроснабжения. Газовая промышленность, 1990, №4

6. Куликов Ю.А. Переходные процессы в электрических системах. — Новосибирск, М.: Мир: ООО «Издательство ACT», 2003. 284 с.

7. Корогодский В.И. и др. Релейная защита электродвигателей напряжением свыше 1 кВ. -М.: Энергоатомиздат, 1987I

8. Барзам А.Б. Системная автоматика. 4-е изд., перераб. И доп. - М.: Энергоатомиздат, 1989

9. Блок микропроцессорной релейной защиты БМРЗ. Каталог. - М.: Schneider Electric, 2000.

10. Защита, контроль и управление. Серия SEP AM. Каталог. - М.: Schneider Electric, 2000.

11. Способ защиты узла электрической нагрузки при нарушениях питания и устройство для его осуществления. Патент РФ № 2072603. Меньшов Б.Г., Ершов М.С., Егоров A.B., Алексеев В.В.I

12. Правила устройства электроустановок. Издание 7-е переработанное и дополненное с изменениями. Главгосэнегронадзор России, 2005

13. Основы теории цепей: Учебник для вузов/ Г.В. Зевеке, П.А. Ионкин, A.B. Нетушил, C.B. Страхов. 5-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1989.

14. Вольдек А.И. Электрические машины. Москва, Энергоатомиздат, 1978

15. Сыромятников И.А. Режимы работы асинхронных и синхронных двигателей/ Под ред. Л.Г. Мамиконянца. М.: Энергоиздат, 1985. - 216 с.

16. Иванов-Смоленский А. В. Электрические машины: Учебник для вузов, -г М.: Энергия, 1980

17. Ершов М.С. Электромагнитные модели трехфазных трансформаторов для расчета несимметричных режимов систем электроснабжения// Электричество. 1995, № 6. с. 42-48.

18. Тихомиров П.М. Расчет трансформаторов. М.: Энергоатомиздат, 1986.

19. Лейтес Л.В. Электромагнитные расчеты трансформаторов и реакторов. -М.: Энергия, 1981.

20. Дружинин В.В. Магнитные свойства электротехнической стали. М.: Энергия, 1974. i

21. Васютинский С.Б. Вопросы теории и расчета трансформаторов. М.: Энергия, 1970.

22. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. Москва, Издательство «Высшая школа», 1996

23. Рено Н. Численные методы. М.: КДУ, 2007.

24. Федоров A.A. Основы электроснабжения промышленных предприятий. -М.: Энергия, 1972.

25. Плащанский JI.A. Основы электроснабжения горных предприятий. М.: Издательство Московского горного университета, 2005.

26. Патент RJF 1769161 А2. Устройство питания и распределения электрической энергии в системах электроснабжения// Б.Г. Меньшов, М.С. Ершов, A.B. Егоров, A.A. Назаретова. Бюлл.-1994, №38.

27. Управление качеством электроэнергии/И.И. Карташов, В.Н. Тульский, Р.Г. Шамонов и др.; под ред. Ю.В. Шарова. М.: Издательский дом МЭИ, 2006.-320 с.

28. Фишман B.C. Провалы напряжения в сетях промпредприятий. Причины и влияние на электрооборудование/ Новости электротехники, №3(57), 2009, с. 1-8.

29. Крючков И.П., Неклепаев Б.Н. и др. Расчет коротких замыканий и выбор электрооборудования. -М.: Издательский центр «Академия», 2005. — 416 с.

30. ГОСТ Р 50030.4.1-2002 (МЭК 60947-4-1-2000) Аппаратура распределения и управления низковольтная. Часть 4-1. Контакторы и пускатели. Электромеханические контакторы и пускатели

31. Качество энергии в электрических сетях/ Куско А., Томпсон М.: пер. с англ. Рабодзея А.Н. М.: Додэка-ХХ1, 2008. - 336 с.

32. Ершов М.С., Валов Н.В. Математическое моделирование аварийныхIнесимметричных режимов систем электроснабжения. Сборник научных трудов II Всероссийской научно-технической конференции «Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий»

33. Том I Уфа, Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2009 1

34. Валов Н.В. Анализ несимметрии напряжения в узлах нагрузки потребителей при авариях в сетях внешнего электроснабжения. Доклады IX международной конференции «Новые идеи в науках о Земле» - Москва, РГГРУ имени С. Орджоникидзе, 2009

35. Ершов М.С., Валов Н.В. Характеристики провалов напряжения при авариях в сетях систем электроснабжения нефтегазовых комплексов — Тезисы докладов научной конференции «Актуальные проблемы нефтегазового комплекса России» М., РГУ нефти и газа, 2010

36. ГОСТ 13109-97 Электрическая энергия. Совместимость технический средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения

37. ГОСТ 11677-85 Трансформаторы силовые. Общие технические условия

38. Федоровская А.И., Фишман B.C. Силовые трансформаторы 10(6)/0,4 кв. Области применения разных схем соединения обмоток — «Новости электротехники», № 5(41), 2006

39. Переходные процессы в электроэнергетических системах: учебник для вузов/ И.П. Крючков, В.А. Старшинов, Ю.П. Гусев, М.В. Пираторов; под ред. И.П. Крючкова. М.: Издательский дом МЭИ, 2008 - 416 с. 1

40. Егоров A.B. Устойчивость промышленных электротехнических систем при возмущениях в системах электроснабжения/ Автореферат на соискание ученой степени доктора технических наук. М.: РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2004.

41. Валов Н.В., Кротов.Д.И. Исследование зависимости запаса устойчивости асинхронных ЭТС от параметров питающей системы. Сборник тезисов докладов 62-й Студенческой научной конференции «Нефть и газ - 2008» -Москва, РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2008

42. Ершов М.С., Егоров A.B., Валов Н.В., Мукани Э.Б. О некоторых закономерностях областей устойчивости асинхронных электротехнических систем. Промышленная энергетика, 2010, №7.

43. Беляев A.B. Противоаварийная автоматика в узлах нагрузки с синхронными электродвигателями большой мощности. 4-е изд., перераб. и доп. - СПб.: ПЭИПК, 2007 - 4.1. - 64 с.

44. Коковин В.Е. Фильтры симметричных составляющих в релейной защите. -М., Энергия, 1968

45. Кельтон В., Jloy А. Имитационное моделирование. Питер, 2004

46. Рупчев И.О. Адаптация параметров релейных защит от потери устойчивости узлов нагрузки систем промышленного электроснабжения -М.: РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2004.

47. Ершов М.С., Егоров A.B., Федоров В.А. Некоторые вопросы повышения устойчивости электроприемников многомашинного комплекса с непрерывным технологическим процессом при возмущениях в системе электроснабжения/ Промышленная энергетика, 1992, №7.