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 (нефтеи 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

.

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 последовательностипо 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.