Web-сторінка ДонНТУ Портал магістрів

Петров Олександр Едуардович

Електротехнічний факультет

Спеціальність «Електротехнічні системи електроспоживання»

Про автора

Тема магістерської роботи: «Оцінювання електромагнітної сумісності за несиметрією напруги» Науковий керівник проф., д.т.н. Курінний Едуард Григорович

Реферат з теми випускної роботи

Вступ

      Забезпечення електромагнітної сумісності (ЕМС) є однією з основних вимог до систем електропостачання. Завищення оцінок ЕМС призводить до необґрунтованого збільшення капіталовкладень, а заниження – до збитку від додаткових втрат електроенергії, зниження строку служби електроустаткування, погіршення якості продукції. У зв'язку з цим високі вимоги пред'являються до обґрунтованості та точності методів оцінювання ЕМС як на стадії проектування, так і в експлуатації систем електропостачання.

      Несиметрія напруги є однією з найбільш поширених кондуктивних завад ЕМС. У більшості публікацій оцінювання цих завад проводиться для окремих випадків незмінної несиметрії. Однак на практиці несиметрія змінюється у часі, наприклад, при роботі дугових сталеплавильних печей (ДСП) (рис. 1) [1].

      Такий режим роботи негативно впливає на роботу інших електроприймачів, викликаючи додаткові втрати активної потужності, підвищене нагрівання струмоведучих частин, передчасне старіння ізоляції, скорочення строку служби електроустаткування. Тому практична актуальність даної магістерської роботи полягає у необхідності розробки методів оцінки ЕМС.

      У зв'язку з тим, що в діючих мережах завади представляють собою випадкові процеси, необхідна розробка загальних методів аналізу. Існуючі методи використовують статичні моделі, пов'язані з повільною зміною напруги, що не підходить для оцінки несиметрії при роботі ДСП, коли напруга змінюється швидко. Ця задача вирішується за допомогою динамічного моделювання наслідків впливу завади на електрообладнання.

      Універсальність такого підходу обумовлена відсутністю обмежень по типу завад – на вхід моделі можуть подаватися незмінні, періодичні або випадкові процеси. Моделювання забезпечує фізичний зміст показників ЕМС, єдність їх вимірювання та розрахунку, достовірність оцінок ЕМС. У цьому полягає наукова актуальність роботи.

      Таким чином, основна мета роботи – розвиток методів оцінки ЕМС. До задач, які повинні бути вирішені, слід віднести:

1. уточнення формул ГОСТ 13109-97 для розрахунку діючих значень напруг зворотної та нульової послідовностей;

2. аналіз експериментальних даних з несиметричного навантаження при роботі ДСП (визначення статистичних характеристик – середнє значення, дисперсія, діюче значення, закон розподілу – за реалізацією та ансамблем реалізацій);

3. розробка динамічної моделі оцінки ЕМС;

4. оцінка ЕМС при роботі ДСП.

Огляд досліджень і розробок

      Дослідження і розробки ефективних методів оцінки несиметрії присвячені роботи таких авторів, як Ю.С. Железко, І.В. Жежеленко, О.К. Шидловський, О.Л. Церазов, Г.Я. Вагін, О.Д. Музиченко, В.В. Зорін, В.Г. Кузнєцов, Е.Г. Курінний, О.П. Лютий та ін. Незважаючи на значні досягнення, актуальною залишається проблема вдосконалення розроблених і створення нових методів розрахунку та оцінки рівня несиметрії напруги.

      Існуючі методи розрахунку несиметрії володіють або значною громіздкістю математичного апарату (з досить малою похибкою), що ускладнює їх програмно-апаратну реалізацію, або малою точністю (при відносній простоті), що ставить під сумнів ефективність їх використання.

      Крім того, більшість наукових робіт, присвячених дослідженню несиметричних режимів роботи електричних мереж, пов'язане, як правило, з розрахунком сумарних втрат в елементах мережі і електроприймачах при різних рівнях несиметрії, а також з розробкою заходів щодо зниження несиметрії. Питанням розробки методів оцінки несиметрії, орієнтованих на інженерну практику та реалізацію їх програмно-апаратного виконання, у науковій та навчальній літературі приділено меншу увагу.

      Збільшення втрат електроенергії в елементах мережі та електроприймача – тільки одна зі сторін негативного впливу несиметрії. Інша сторона проблеми – технологічні збитки, пов'язані із порушенням режиму роботи споживачів. Питання впливу несиметрії на роботу споживачів торкаються у багатьох роботах, присвячених розрахункам режимів електричних мереж, і знайшли своє відображення у науковій і навчальній літературі. Однак оцінка впливу несиметрії на роботу електроприймачів, а також аналіз процесу взаємодії електроприймачів з несиметричною мережею утруднені численними чинниками, що впливають на результат (необхідність урахування особливостей споживачів і живильної мережі, необхідність в інформації про причини, що викликали несиметрію). Це призводить до значних допущень і зниження достовірності оцінки результату взаємодії електроприймача та мережі.

      До особливої групи споживачів, підключених до мереж загального користування, можна виділити електричні двигуни. Це визначається вкрай високою чутливістю такого роду споживачів до несиметрії живлячої напруги. Дослідження впливу несиметрії на роботу таких споживачів знайшло відображення у роботах багатьох авторів (Н. Д. Торопцева, B. Г. Кузнєцова, О. Л. Церазова та ін.).

      Слід зазначити, що зниження несиметрії напруг і струмів доцільно навіть тоді, коли вона знаходиться у допустимих межах, тому що при цьому зменшуються втрати в електричних мережах і електроприймачах, полегшуються умови роботи генераторів, двигунів і засобів релейного захисту. Тому симетрування потрібно розглядати не тільки як засіб підвищення якості електроенергії, але і як засіб підвищення економічності та надійності електричної системи в цілому. [2]

Короткий зміст роботи

      У [3] ЕМС технічних засобів – це здатність технічного засобу функціонувати з заданою якістю в заданій електромагнітній обстановці і не створювати неприпустимих електромагнітних завад іншим технічним засобам. Стосовно задач електропостачання електромагнітним середовищем є система електропостачання, а технічним засобом – електроприймач, який приймає корисний сигнал: напругу живлення, симетричне і неспотворене. Таким чином, під ЕМС у вузькому смислу розуміють здатність електроприймача нормально функціонувати у системі електропостачання і не створювати у ній кондуктивних (conductor, лат. – провідник) завад, неприпустимих для інших електроприймачів.

      Задачі забезпечення ЕМС вирішуються на стадії проектування і в експлуатації, що вимагає створення методів розрахунку і вимірювання показників ЕМС – величин, що кількісно характеризують властивості ЕМС. [1]

      Тема магістерської роботи – «Оцінювання ЕМС за несиметрією напруги». У системах електропостачання промислових підприємств несиметрія напруг може бути викликана зовнішніми і внутрішніми причинами. Зовнішня несиметрія зумовлена, по-перше, тим, що генератори на електричних станціях не можуть створювати абсолютно симетричну систему напруг. По-друге, лінії й трансформатори мають розкид у опорах фаз та коефіцієнтах трансформації. По-третє, на сусідніх підприємствах можуть бути настільки потужні споживачі з несиметричним навантаженням, що вони створюють несиметрії в районних електричних мережах, від яких живиться підприємство, що розглядається. У проектуванні передбачається, що зовнішня несиметрія відсутня. Джерелом внутрішньої несиметрії є трифазні електроприймачі з несиметричним навантаженням (ДСП, магнітогідравлічні установки для точного лиття та ін.), а також однофазні електроприймачі. У результаті, навіть при відсутності зовнішньої несиметрії, напруга Uг на шинах буде несиметричною, оскільки несиметричне навантаження створює на опорі мережі несиметричну втрату напруги. Тим самим порушується ЕМС інших електроприймачів та електрообладнання: асинхронних (АТ) і синхронних (СД) електродвигунів, конденсаторних установок (КУ), цехових трансформаторів. [1]

      Уточнення формул ГОСТ 13109-97. Оцінювання ЕМС за несиметрії напруги проводиться за діючими значеннями напруг зворотної і нульової послідовностей [4]:

де – три лінійні і дві фазні напруги, виміряних одночасно на i-му спостереженні за період часу, що дорівнює 24 год.

      Як видно з формул, напруги можуть приймати невизначені значення у випадку обриву однієї з фаз (крайній випадок несиметрії), тому що знаменник дробів і стає рівним 0. У зв'язку з цим є необхідним уточнення формул [4].

      Вихідні дані. Вихідними даними для розрахунків показників ЕМС є реалізації (графіки) перешкод (рис. 2) або їх характеристики. У діючих електроустановках записані графіки враховують усі особливості конкретної мережі, склад електрообладнання, наявність зовнішніх завад. У проектуванні використовуються графіки навантаження джерел завад – або розрахункові, або одержані дослідним шляхом для аналогічних джерел завад. [1]

      У даній роботі вихідними даними є отримані у режимі розплавлення осцилограми напруг і струмів асинхронних двигунів (АД), що встановлені в одному з сталеплавильних цехів ВАТ «Дніпроспецсталь».

      У загальному випадку мережа, електроприймачі і засоби поліпшення ЕМС представляються схемами заміщення з зосередженими параметрами: комбінацією активних опорів, індуктивностей і ємностей. Зовнішні та внутрішні завади враховуються окремо. Для зовнішніх завад використовується розрахункова схема, в якій джерела завад розглядаються як джерела ЕРС: як би не мінялися параметри режиму електроприймачів та джерел внутрішніх завад, графік зовнішньої завади залишається без зміни.

      При знаходженні графіка внутрішньої завади джерела перешкод вважаються джерелами струму, навантаження яких інваріантне по відношенню до будь-яких змін у мережі. У зв'язку з цим схема заміщення (рис. 3) являє собою паралельно з'єднані джерела струму електроприймачі та мережа. Завадою є напруга між точками а і b.

      Для малопотужних систем електропостачання (наприклад, автономних) джерела завад не можна вважати джерелами струму, а слід виходити з принципу інваріантності індивідуальних провідностей, які не залежать від змін параметрів режиму мережі. В цьому випадку навантаження джерел завад будуть залежними, що ускладнює розрахунки.

      При наявності декількох джерел завад розрахунки виконуються за графіками суми активних і суми реактивних складових їх струмів.

      Неперіодичні завади зазвичай задаються у вигляді гратчастої функції: дискретної послідовності ординат з малим кроком дискретизації по осі часу. Періодичні завади можуть представлятися у вигляді ряду Фур'є. [1]

      Структурна схема динамічної моделі ЕМС за несиметрією напруги. У загальному випадку динамічна модель ЕМС одного електроприймача містить зважувальний фільтр (ЗФ), що моделює реакцію, і блок квадратичного інерційного згладжування (КЗІ) (рис. 4, а). На пропорційний блок 1 з коефіцієнтом передачі надходить квадратичний струмовий інерційний процес

      При відсутності відомостей про параметри ЗФ або в укрупнених техніко-економічних розрахунках, коли відомі лише коефіцієнти динамічна модель масових електроприймачів приймається у вигляді, показаному на рис. 4, б. Тут до ланки 1 надходить інерційний процес після квадратичного інерційного згладжування коефіцієнтів несиметрії.

      У загальному випадку до мережі підключається група електроприймачів з різними постійними часу нагрівання. Їх динамічні моделі будуть відрізнятися один від одного величиною параметра Т блоку КЗІ.

      Середні втрати потужності обчислюються по квадрату ефективного струму зворотної послідовності. Для отримання цієї величини після квадратора 2 передбачається ланка 3 визначення середнього значення (рис. 5, а). У пропорційній ланці 1 проводиться множення на коефіцієнт

      Середнє значення втрат потужності пропорційно квадрату ефективного значення коефіцієнта несиметрії, тому:

      Відповідна динамічна модель представлена на рис. 4, б. У ній ланка 1 має коефіцієнт передачі

      Аналогічні моделі для оцінювання середньої температури відрізняються лише коефіцієнтами передачі пропорційних ланок. Середня температура є показником ЕМС для електроприймачів з дуже великою тепловою інерцією (теоретично Т ). У загальному випадку по ній визначається кратність зниження терміну служби Для цього в моделях на рис. 5 передбачається пропорційна ланка 1 з коефіцієнтом передачі b і експоненційна ланка 4.

      Моделі ЕМС асинхронних електродвигунів. Коефіцієнт передачі ЗФ на рис. 4, а і 5, а може бути визначений двома способами: за схемою заміщення АД і за експериментальними даними.

      Проілюструємо застосування першого способу на прикладі Г-образної схеми заміщення (рис. 6), де прийняті наступні позначення для активних опорів та індуктивностей: і – обмотки статора, і – контуру намагнічування, і – обмотки ротора, s – ковзання, коефіцієнт

      Додатково позначимо:

      В операторній формі еквівалентна провідність двох паралельних ланок:

яка вимірюється у сименсах. Для виразу струму у процентах введемо безрозмірні коефіцієнти:

де – номінальний опір двигуна.

      Передавальна функція ЗФ визначається множенням еквівалентної провідності на номінальний опір:

      Відповідно до першого виразу ЗФ складається з двох паралельно з'єднаних інерційних ланок з коефіцієнтами передачі і постійними часу і . Другий вираз дає чотири послідовно з'єднані ланки: пропорційне з коефіцієнтом передачі , дві інерційні з і , а також форсуючу з постійною часу

      Першу структуру ЗФ зручно використовувати для розрахунків за тимчасовими характеристиками. У розглянутій задачі перехідна функція є реакцією на стрибок напруги який визначається через одиничну функцію: У цьому випадку перший вираз призводить до формули:

де

      Вагова функція

складається з суми двох експонент.

      Друга структура зручна для розрахунків з використанням частотних характеристик. АЧХ фільтра

      Структурна схема заміщення АД за прямою послідовністю аналогічна схемі на рис. 6 – у ній необхідно замінити и на и на Позначуючи

знайдемо еквівалентний опір паралельних ланок

      При частоті отримуємо:

      Як зазначалося, при несиметрії, що зустрічається на практиці, ковзання змінюється незначно, тому в отриманих формулах його можна приймати рівним номінальному значенню.

      Окремі елементи АД мають різні постійні часу нагрівання, які до того ж залежать від умов вентиляції. Проте зазвичай обмежуються наближеним аналізом нагрівання, беручи одну постійну часу. Виникаючі при цьому похибки не виходять за межі допустимих. Значення постійних часу нагрівання для АД різної потужності знаходяться в широких межах: від декількох хвилин до годин. У більшості випадків вони набагато більше середньої тривалості циклів зміни несиметрії, тому оцінювання ЕМС можна виконувати в рамках моделей, представлених на рис. 5.

      Цей висновок відноситься і до більшості СД, КУ, трансформаторів та ЛЕП, постійні часу нагрівання яких достатньо великі. [1]

      Техніко-економічна ефективність зменшення несиметрії напруг. Дані про показники несиметрії використовуються для обґрунтування застосування пристроїв зменшення несиметрії напруг. Технічна необхідність у цьому виникає, якщо порушуються вимоги стандартів. Економічна доцільність доводиться шляхом зіставлення ефекту від зменшення додаткових втрат електроенергії та збільшення терміну служби електрообладнання з витратами на пристрої стабілізації.

      Для кожного виду електрообладнання щорічний економічний збиток від несиметрії напруг в грн/рік визначається за формулою:

где – приведені затрати на обладнання; – число годин роботи обладнання у році; – номінальний строк служби; – вартість 1 кВтгод втрат електроенергії; – нормативний коефіцієнт ефективності капіталовкладень, який є величиною, зворотною нормативному строку окупності.

      Коригувальний пристрій вартістю з щорічними експлуатаційними витратами зменшує шкоду на величину що залежить від залишкової несиметрії напруг. Термін окупності коригувальних пристроїв (у грн):

      Економічний ефект від застосування коригувального пристрою (у грн/рік):

      Ця величина буде більше нуля, якщо термін окупності додатний і не перевищує

Висновки

      Дугові печі, працюючи у мережі, створюють несиметрію напруги, що позначається на роботі усіх споживачів, включених до цієї мережі. Тому необхідна розробка методів оцінки несиметрії напруги. Однак існуючі методи засновані на статичних моделях, які не можуть описувати швидкі випадкові зміни напруги, що відбуваються при роботі ДСП. Рішенням даної проблеми стає використання динамічних моделей ЕМС.

      Під час написання даного реферату магістерська робота не завершена. Остаточний варіант роботи можна отримати у автора або наукового керівника після грудня 2010 року.

Література

1. Кузнецов В.Г., Куренный Э.Г., Лютый А.П. Электромагнитная совместимость. Несимметрия и несинусоидальность напряжения. – Донецк: «Норд-пресс», 2005.

2. Петров А.В. Разработка инженерных методов оценки несимметрии напряжений в сетях 10-0,4 кВ: диссертация кандидата технических наук: 05.14.02. – Ставрополь, 2003. – 200 с.

3. ГОСТ 30372-95. Межгосударственный стандарт. Совместимость технических средств электромагнитная. Термины и определения. – Введ. 01.01.1997.

4. ГОСТ 13109-97. Межгосударственный стандарт. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. – Введ. в Украине с 01.01.2000.

5. Борисов Б.П., Дмитриева Е.Н., Коломытцев А.Д. Динамические показатели электромагнитной совместимости магнитодинамических установок. Техническая электродинамика, 1988, №1. – С. 37-43.

6. Ермилов А.А. Основы электроснабжения промышлен-ных предприятий. – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 208 с.

7. Куренный Э.Г., Ковальчук В.М., Коломытцев А.Д. Оценка качества электроэнергии с использованием моделей объектов. – В кн.: Качество электроэнергии в сетях пром. предприятий. Материалы конференции. – М.: МДНТП, 1977. – С. 23-29.

8. Лютий О.П. Комплексний аналіз несиметрії і несинусоїдальності в системах електропостачання з різкозмінним навантаженням. – Технічна електродинаміка, 2002, ч. 2. – С. 104-107.

9. Лютий О.П. Оцінка електромагнітної сумісності при випадковій несиметрії напруг в електричних мережах. – Технічна електродинаміка. – 2001, №6. – С. 50–55.

10. Шидловский А.К., Кузнецов В.Г. Повышение качества энергии в электрических сетях. – К.: Наукова думка, 1985. – 268 с.

11. Шидловский А.К., Куренный Э.Г. Введение в статистическую динамику систем электроснабжения. – Киев: Наукова думка, 1984. – 271 с.