Освоение регионов Сибири и Дальнего Востока обусловливает интенсивное развитие единой транспортной инфраструктуры (автомобильного, водного и железнодорожного транспорта). Водному (речному) транспорту отводится значительная доля грузоперевозок. Это увеличивает нагрузку на технический флот (плавкраны, земснаряды, землесосы и т. д.), который обеспечивает водный путь.
Электроснабжение береговых объектов (портов, нефтебаз, судоремонтных заводов, транспортных терминалов по переработке грузов совместно с железнодорожным транспортом) осуществляется в основном от региональных электроэнергетических систем (ЭЭС). В береговых сетях (6−10) кВ объектов водного транспорта, характерезуещихся небольшими мощностями трехфазного короткого замыкания, обостряется проблема электромагнитной совместимости (ЭМС) из-за качественных изменений нагрузок в электрических сетях общего назначения. Так, в сетях Западной Сибири произошло:
— долевое снижение электропотребления в машиностроительной и тяжёлой промышленностях;
— увеличение доли нелинейных нагрузок тяговых подстанций железнодорожного транспорта и нефтегазодобывающих месторождений.
По экономическим причинам суда технического флота, где это возможно, получают электроэнергию от береговых сетей. При этом качество функционирования электропередачи «берег-судно» 0,4 кВ из-за неудовлетворительной устойчивости судовых узлов нагрузки по напряжению не удовлетворяет требованиям эксплуатации, а качество электроэнергии требованиям ГОСТ 13 109–97 и «Правилам классификации и постройки судов внутреннего плавания Российского Речного Регистра» (ПСВП РРР). Значительный физический износ судов технического флота обостряет проблему повышения устойчивости их электрической нагрузки по напряжению.
Исследования Горелова В. П., Лизалика H.H., Овсянникова А. Г., Вор-шевского A.A., Ивановой Е. В. и других отечественных и зарубежных ученых охватывают различные аспекты обеспечения ЭМС технических средств. Однако, проблема ЭМС многогранна и одна из научно-технических задач — повышение устойчивости судовых узлов нагрузки по напряжению при электроснабжении от береговых сетей не решена. Отсутствует соответствующий стандарт или методика. В связи с изложенным тема диссертации является актуальной.
Объектом исследования являются системы электроснабжения (СЭС) судов технического флота при питании от береговых электроэнергетических систем (ЭЭС), включающие сети напряжением (6−10) кВ береговых объектов, электропередачи «берег-судно» 0,4 кВ и судовые электрические сети 0,4 кВ. В качестве базового полигона исследования выбрана СЭС плавкрана типа КПП 5−30 № 667 ООО «Селена» Омского прииртышья при питании от береговой сети 10 кВ.
Предметом исследования являются процессы влияющие на устойчивость электрической нагрузки по напряжению судовой сети 0,4 кВ при электроснабжении судна от береговой сети 10 кВ и нарушающие ЭМС технических средств.
Связь темы диссертации с общенаучными (государственными) программами и планом работы академии. Работа выполнялась в соответствии: с научными направлениями технического комитета № 77 «Электромагнитная совместимость электрооборудования, присоединённого к общей электрической сети» Международной электротехнической комиссии (МЭК) — с научной целевой комплексной темой «Разработка мероприятий по повышению надёжности работы оборудования в условиях пониженных температур» (гос. регистр. № 0188.0004.137) и планом НИОКР «Электромагнитная совместимость технических средств» (гос. регистр. № 1 201 180 542), ФБОУ ВПО «НГАВТ».
Идея работы заключается в установлении углублённых связей между кондуктивными ЭМП, действующих в береговой электрической сети 10 кВ и в судовой сети 0,4 кВ при электроснабжении судна с берега, воздействия на которые можно повысить устойчивость электрической нагрузки по напряжению и обеспечить ЭМС технических средств электропередачи «берег-судно» как рецепторов.
Целью работы является разработка научных положений и рекомендаций, позволяющих повысить устойчивость судовых узлов нагрузки по напряжению при электроснабжении от береговых сетей. Для достижения этой цели в работе ставились и решались следующие взаимосвязанные научно-технические задачи:
— обоснования требований к измерительной технике и методологического подхода к измерению параметров электромагнитной обстановки (ЭМО) — разработка электрической схемы эксперимента;
— определение условий обеспечения устойчивости судовых узлов нагрузки по напряжению с помощью помехоподавляющих технических средств;
— разработка методики определения параметров распределения кондук-тивной электромагнитной помехи по отклонению напряжения в судовой сети 0,4 кВ при электроснабжении судна от береговой сети 10 кВ;
— экспериментальные исследования электромагнитной обстановки в береговой сети 10 кВ и электропередаче «берег-судно» 0,4 кВ при электроснабжении плавкрана типа КПП 5−30 с берега;
— разработка эмпирической математической модели для прогнозирования коэффициента запаса устойчивости узла нагрузки плавкрана типа КПЛ 530 по напряжению в зависимости от вероятности изменения уровня напряжения в течение рабочего цикла погрузо-разгрузочных работ при электроснабжении от береговой сети 10 кВ;
— разработка методики повышения устойчивости электрической нагрузки по напряжению судов технического флота при электроснабжении от береговых сетей;
— эксперементальная проверка эффективности предложенной методики на базовом полигоне исследования.
Методы исследования. В процессе выполнения исследований применялись: научно-техническое обобщение литературных источников по исходным предпосылкам исследований, методы теоретических основ электротехники и теории электрических сетей, методы математической статистики и теории вероятностей (теория производящих функций, теория ошибок), метод аналитических исследований, методы системного анализа, рекомендованные Госстандартом России методы и средства измерения уровней ЭМС для кон-дуктивных ЭМП.
На защиту выносятся:
1 Обоснование условий обеспечения устойчивости судовых узлов нагрузки по напряжению в электропередаче «берег-судно» 0,4 кВ с помощью помехоподавляющих технических средств.
2 Методика определения параметров распределения кондуктивной электромагнитной помехи по отклонению напряжения в судовой сети 0,4 кВ при электроснабжении судна технического флота от береговой сети (6−10) кВ.
3 Результаты экспериментальных исследований кондуктивных ЭМП по отклонению напряжения в электропередаче «берег-судно» 0,4 кВ при электроснабжении плавкрана типа КПП 5−30 от береговой сети 10 кВ (закон и параметры распределения, вероятность появления).
4 Эмпирическая математическая модель для прогнозирования коэффициента запаса устойчивости узла нагрузки 0,4 кВ плавкрана типа КПЛ 5−30 по напряжению в зависимости от вероятности изменения уровня напряжения в течение рабочего цикла погрузо-разгрузочных работ при электроснабжении от береговой сети 10 кВ.
5 Методика повышения устойчивости электрической нагрузки по напряжению судов технического флота (плавкраны, земснаряды, землесосы и т. д.) при электроснабжении от береговых сетей.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций.
Достоверность обеспечена: использованием сертификационного оборудования и современного измерительно-вычислительного комплекса (ИВК) «Омск-М" — исследованиями погрешностей расчетов по разработанной эмпирической математической модели.
Обоснованность подтверждена корректностью применения математических методов обработки результатов измерений, принятыми уровнями допущений при математическом описании явлений, публикациями и обсуждениями результатов исследований на 8 международных и всероссийских научно-технических конференциях и семинарах, практической реализацией полученных результатов.
Научная новизна работы характеризуется следующими новыми научными положениями:
— определено условие обеспечения устойчивости судовых узлов нагрузки по напряжению 0,4 кВ с помощью помехоподавляющих технических средств;
— разработана методика определения параметров распределения кон-дуктивной электромагнитной помехи по отклонению напряжения в судовой сети 0,4 кВ при электроснабжении судна технического флота от береговой сети ЮкВ;
— получены результаты экспериментальных исследований кондуктив-ных ЭМП по отклонению напряжения в электропередаче «берег-судно» 0,4 кВ при электроснабжении плавкрана типа КПЛ 5−30 от береговой сети 10 кВ (закон и параметры распределения, вероятность появления);
— представлена эмпирическая математическая модель для прогнозирования коэффициента запаса устойчивости узла нагрузки 0,4 кВ плавкрана типа КПЛ 5−30 по напряжению в зависимости от вероятности изменения уровня напряжения в течение рабочего цикла погрузо-разгрузочных работ при электроснабжении от береговой сети 10 кВ;
— разработана методика повышения устойчивости электрической нагрузки по напряжению судов технического флота (плавкраны, земснаряды, землесосы и т. д.) при электроснабжении от береговых сетей.
Теоретическая значимость работы заключается в развитии теоретических основ устойчивости электрических нагрузок по напряжению судов технического флота при электроснабжении от береговых сетей. Раскрыто существенное влияние на устойчивость узлов нагрузки по напряжению кон-дуктивных ЭМП по отклонениям напряжения, распространяющимся по проводам в электропередаче «берег-судно». Предложена методика определения параметров и вероятностей появления этих помех.
Практическая значимость результатов работы заключается в том, что внедрение на отраслевом уровне научных положений и рекомендаций диссертации в проектную и эксплуатационную практику обеспечивает повышение устойчивости электрической нагрузки по напряжению судов технического флота при электроснабжении от береговых сетей. Совокупность полученных результатов представляется как решение важной научно-технической задачи, имеющей большое хозяйственное значение для водного транспорта. Разработана методика повышения устойчивости электрической нагрузки по напряжению судов технического флота при электроснабжении от береговых сетей.
Реализация работы. Рекомендации по повышению устойчивости судовых узлов нагрузки по напряжению при электроснабжении от береговых сетей внедрены в: ОАО «Иртышское пароходство» (г. Омск) с ожидаемым годовым экономическим эффектом 127 тыс. руб. при сроке окупаемости капитальных вложений около 3 летФБУ «Обь — Иртышводпуть». (г. Омск) с годовым экономическим эффектом 152 тыс. рублей при сроке окупаемости капитальных вложений менее 3 лет.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на международной научно-практической конференции «Индустриально-инновационное развитие на современном этапе: состояние и перспективы» (г. Павлодар, Казахстан, 2009 г.) — на международной научно-практической конференции «Энергоэффективность» (г. Омск, Россия, 2010 г.) — на всероссийской научно-технической конференции «Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования» (г. Томск, 2010 г.) — на 9-й международной научно-практической конференции «Проблемы и достижения в промышленной энергетике» в рамках выставки «Энергетика и электротехника — 2010» (г. Екатеринбург, Россия, 2010 г.) — на 2-й международной научно-практической конференции «Эффективность и качество снабжения и использования электроэнергии» в рамках выставки «Энергосбережение, отопление, вентиляция, водоснабжение в промышленности и ЖКХ» (г. Екатеринбург, Россия, 2012) — на региональной научно-практической конференции «Новые технологии на транспорте, в энергетике и строительстве» (г. Омск, Россия, 2010 г.) — на 63-й научно-технической конференции ГОУ ВПО «СибАДИ» (г. Омск, Россия 2009 г.) — на научно-практическом семинаре с международным участием «Эффективность и качество снабжения и использования электроэнергии» в рамках выставки «Энергосбережение, отопление, вентиляция, водоснабжение в промышленности и ЖКХ» (г. Екатеринбург, Россия, 2011).
Личный вклад. Постановка научно-исследовательских задач и их решения, научные положения, выносимые на защиту, основные выводы и рекомендации диссертации принадлежат автору. Личный вклад в работах, опубликованных в соавторстве, показан в Приложении, А диссертации и составляет не менее 50%.
Публикации. Содержание работы изложено в 33 научных трудах, в том числе, в 14 статьях в периодических изданиях по перечню ВАК.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературы из 156 наименований и двух приложений. Изложена на 136 страницах машинописного текста, который поясняется 36 рисунками и 8 таблицами.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.
1 Доказана возможность повышения устойчивости судовых узлов нагрузки по напряжению при электроснабжении от береговых сетей путём подавления кондуктивных электромагнитных помех в едином параметрическом пространстве с помехоподавляющими техническими средствами.
2 Разработана методика определения параметров распределения кондуктивных электромагнитных помех в электропередаче «берег-судно» 0,4 кВ при работе судов технического флота (плавкраны, земснаряды, землесосы и т. д.).
3 Экспериментально установлено, что кондуктивная электромагнитная помеха по отклонению напряжения в электропередаче 0,4 кВ «берег-судно» в течение рабочего цикла погрузо-разгрузочных работ плавкрана типа КПЛ 530 характеризуется математическим ожиданием (-4,2%) и средним квадрати-ческим отклонением (8,03%). Вероятность появления этой помехи составляет 0,2, которая превышает допустимую ГОСТ 13 109–97 вероятность (0,05) в 4 раза.
4 Кондуктивная электромагнитная помеха по отклонению напряжения в электропередаче «берег-судно» 0,4 кВ, снижающая коэффициент запаса устойчивости электрической нагрузки плавкрана типа КПЛ 5−30 по напряжению, обнаружена при нормируемых уровнях электромагнитной совместимости для кондуктивных электромагнитных помех в береговой сети 10 кВ. Если же в сети 10 кВ произойдет отклонение напряжения даже в пределах требований ГОСТ 13 109–97, то может произойти «опрокидывание» асинхронных двигателей плавкрана и расстройство технологического процесса погрузо-разгрузочных работ с серьёзными техническими, экономическими и экологическими последствиями.
5 Разработана эмпирическая математическая модель для прогнозирования коэффициента запаса устойчивости узла нагрузки плавкрана типа КПЛ.
5−30 по напряжению в зависимости от вероятности изменения уровня напряжения в течение рабочего цикла погрузо-разгрузочных работ при электроснабжении от береговой сети 10 кВ. Определена область её применения. Относительная ошибка расчетов с вероятностью 0,95 не превышает ±14%. 6 Разработана методика повышения устойчивости электрической нагрузки по напряжению судов технического флота при электроснабжении от береговых сетей.
