ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

В настоящее время основным оборудованием в металлургической промышленности для производства высококачественной стали являются дуговые сталеплавильные печи (ДСП). Эти устройства являются источниками электромагнитных помех: высших гармоник, колебаний и несимметрии напряжений. Расчет и анализ несимметричных режимов работы дуговой печи необходимы для решения многих практических задач: анализ работы автоматических регуляторов мощности, выбора наилучшего параметра регулирования и разработки новых регуляторов, выбора наилучшей конструкции короткой сети и разработки мер для поддержания равных мощностей всех фаз печи; настройки параметров релейной защиты и автоматических регуляторов печи и др. Для объективной оценки несимметрии напряжений в действующих электрических сетях используют либо специализированные измерительные приборы, либо оцифрованные кривые мгновенных значений фазных напряжений ДСП, полученные с помощью регистратора РЕКОН. Однако РЕКОН не позволяет получить время записи графика напряжения, достаточное для оценки показателя несимметрии согласно ГОСТ 13109-97.
Цель работы: анализ возможного использования экстраполяции результатов на более долгий промежуток времени путем имитационного моделирования фазных напряжений ДСП.
Идея работы: исходными данными для выполнения работы является функция распределения (ФР) – универсальная характеристика, которая полно характеризует случайную величину, а также корреляционная функция (КФ), которая характеризует тесноту линейных связей (корреляция) между ординатами процесса, разделенным интервалом времени τ. Используя эти функции, можно выполнить имитацию процесса с помощью программы StaSim.
Основные задачи разработок и исследований: по заданным кривым напряжения и тока:
– оценить ЭМС по несимметрии и несинусоидальности;
– оценить погрешность работы программы StaSim.
Методы исследований: в работе применяются методы теории вероятности и статистической динамики электрических систем.
Практическое применение: прогнозирование несимметрии и несинусоидальности напряжения на основе имитационной модели для решения практических задач проектирования и эксплуатации.
Обзор исследований и разработок по теме. Вопросами ЭМС в ДонНТУ занимаются д.т.н. Куренный Э. Г., к.т.н. Дмитриева Е. Н., к.т.н. Погребняк Н. Н., к.т.н. Коломытцев А.Д.
Вклад в вопросы определения и нормирования качества электроэнергии внесли следующие ученые: Г.Я. Вагин, С.Р.Глитерник, А.А. Ермилов, И.В. Жежеленко, Ю.С. Железко, Э.Г. Куренный, Р.В. Минеев, М.Я. Смелянский, Д. Аррилага и др.

 

1. Дуговые сталеплавильные печи

Дуговая сталеплавильная печь (рис. 1)  – это потребитель второй категории надежности электроснабжения, который характеризуется высокой единичной мощностью 0,4-80 МВА, имеют коэффициент мощности от 0,85-0,89 (ДСП-5) до 0,7 (ДСП-200), круглосуточный резко переменный циклический режим работы.

Схема ДСП

Рисунок 1 – Схема ДСП

При работе ДСП создает непостоянную по фазам нагрузки в питающей сети, генерируя при этом широкий спектр высших гармоник. Броски тока электропечные нагрузки вызывают в питающей сети субгармонических колебания напряжения, а несинусоидальность тока, напряжение печной дуги и несимметрия токоподвода вызывают искажения формы питающей напряжения – высокие гармонические колебания [13].

Рабочая дуга ДСП является весомым нелинейным элементом, который имеет следующие особенности: а) напряжение на дуге постоянная при постоянной ее длине б) кривая напряжения на дуге несинусоидальное, что приводит к искажению формы кривой тока и появлению в цепях с дугой высших гармонических составляющих тока и напряжения [14]. Высшие гармонические составляющие тока дуги передаются через магнитную связь обмоток печного трансформатора на его первичную обмотку и далее в сеть. Несинусоидальный ток вызывает на реактивных сопротивлениях печного контура разное падение напряжения для каждой гармоники, что приводит к нелинейным искажениям питающей напряжения. Гармоничный состав напряжения и тока в значительной степени зависит от режима горения печной дуги. На режим горения влияют многие факторы [15]: изменение ионизации дугового промежутка при плавлении и испарении шихты, колебания температуры и химического состава металла и шлака, перемещение шихты, кувырки дуги, движение дуги под действием электромагнитных сил, колебания электродов, несимметричное нагрузки отдельных фаз печи. Эти факторы обусловливают случайный характер электрических процессов в печи и влияют на вольт-амперную характеристику дуги, которая определяет гармоничный состав тока.

Расплавление шихты сопровождается резкими и частыми изменениями нагрузки в диапазоне от обрыва дуги к короткому замыканию между электродом и шихтой. Несимметричный режим работы печи, а также несимметрия токоотвода влияют на гармоничное состав тока и питающей напряжения – третья и кратные трем гармоники возникают во всех трех фазах.

Кроме дуги электропечной контур ДСП имеет другой нелинейный элемент - трансформаторный агрегат, состоящий для маломощных печей с печного трансформатора и токоограничивающего реактора, а для мощных - из регулирующего автотрансформатора и печного трансформатора. В номинальном режиме работы сталь сердечника трансформатора, дросселя и автотрансформатора не насыщен (ток намагничивания составляет 0,5-3% от номинального тока). В режиме эксплуатационных КЗ при включения и выключения трансформаторных агрегатов наличие стальных сердечников сильно влияет на кривую тока в контуре. В момент выключения холостого хода печного трансформаторного агрегата в сеть генерируется продленного (0,01-0,03 с) фронт импульсов частотой 10-20 кГц и амплитудой (1,5-3,5). Эти колебания вызваны не линейностью вольтамперной характеристики аппаратной дуги и периодически повторными ее зажигания.

Несимметричные режимы возникают при неравномерном загрузке фаз печи. Иными словами, неровная длина дуг отдельных фаз, неровные сопротивления и взаимоиндуктивности питающей сети – причины несимметрии [14].

Несимметрия напряжения определяется различием токов дуг трех фаз и особенностей короткой сети. При несимметрии напряжения в трехфазных сетях уменьшается пропускная способность электрической сети, появляются дополнительные потери мощности в элементах СЭС, повышается нагрев электрических машин, снижается надежность и экономичность производства, передачи и потребления электроэнергии [2].
Нелинейность вольтамперной характеристики дуги ДСП вызывает искажение формы кривой тока и генерацию высших гармоник. Несинусоидальные токи через печной трансформатор попадают в сеть электроснабжения и вызывают для каждой гармоники различные падения напряжения, в результате чего искажается форма кривой питающей напряжения.

Несинусоидальность кривых обусловлена также такими факторами: оплавление кусков шихты, удлиняющее дугу; перебрасывание дуги с одного куска шихты на другой; «кипение» металла и т.д [4, 5].Кроме свойств дуги, причиной появления высших гармоник может быть влияние участков цепи с железными магнитопроводами (трансформаторы, дроссели), насыщение которых нарушает пропорциональность между намагничивающим током и магнитным потоком.

Несинусоидальные токи вызывают ряд нежелательных и осложняющих работу установки явлений [6, 7]:
1) увеличение активных потерь в проводах, так как поверхностный эффект для токов повышенной частоты выражен сильнее;
2) увеличение потерь в железе (например, в сердечнике трансформатора), так как при потери на вихревые токи и гистерезис возрастают с частотой;
3) увеличение индуктивного сопротивления и снижение, так как индуктивное сопротивление пропорционально частоте;
4) резкое увеличение какой-либо из высших гармоник по сравнению даже с амплитудой основной гармоники при последовательном соединении емкостного и индуктивного сопротивлений (резонанс напряжений), что может создать перенапряжения, ведущие к пробою изоляции.

В диапазоне 0–2,5 Гц (рис. 2) появляются интергармоники, уровни которых могут достигать 10 % от тока основной частоты.
 

Спектры напряжения при работе ДСП

Рисунок 2 – Спектры напряжения при работе ДСП: а - колебания напряжения, б - спектр с гармониками (пики) и интергармоники

Таким образом, ДСП является «генератором» практически всех видов электромагнитных помех. Поэтому необходима точная оценка влияния ДСП на СЭС [16].

 

2. Оценка несинусоидальности в сетях с ДСП

2.1 Нормирование несинусоидальности напряжения

Несинусоидальность напряжения во всех стандартах оценивается по коэффициентам искажения синусоидальности напряжения и n-ой гармонической составляющей [8].

За интервал осреднения количество N наблюдений должно быть не менее девяти. Результаты i-го наблюдения вычисляются по формулам:


Качество электрической энергии по коэффициенту n-ой гармонической составляющей напряжения в точке общего присоединения считают соответствующим требованиям стандарта ГОСТ 13109-97, если наибольшее из всех измеренных в течение 24 ч значений коэффициентов n-ой гармонической составляющей напряжения не превышает предельно допустимого значения, а значение коэффициента n-ой гармонической составляющей напряжения, соответствующее вероятности 95% за установленный период времени, не превышает нормально допустимого значения.

2.2 Исходные данные для оценивания несинусоидальности
Исходными данными для оценивания несинусоидальности являются кривые напряжения и тока ДСП, полученные с помощью регистратора РЕКОН.
РЕКОН дает возможность сделать спектральный анализ кривых. Но необходимо провести всю процедуру спектрального анализа самостоятельно для оценки погрешности анализа несинусоидальности с помощью РЕКОН.

Рассмотрим один период кривой напряжения ДСП (рис. 3).

Один период искаженной кривой напряжения ДСП

Рисунок 3 – Один период искаженной кривой напряжения ДСП

Согласно [1] несинусоидальность характеризуется коэффициентом искажения, для которого необходимо знать значения 40 гармоник. Для этого надо найти спектр действующих значений токов и напряжений.

2.3 Выделение несинусоидальной компоненты
Поскольку электроэнергия передается на частоте f = 50 Гц, процесс u(t) изменения текущих значений напряжения (или тока) естественно представить в виде суммы двух компонент: синусоидальной uf(t) с частотой 50 Гц и несинусоидальной, которые будем называть синусоидой и помехой.

uv(t) = u(t) − uf(t)               (1)

 

Рассматривается случай периодической помехи с длительностью цикла tf = 1/f = 0.02 с, которая накладывается на синусоиду с той же продолжительностью цикла.

Параметры синусоиды находятся разными способами. Хороший результат дает метод наименьших квадратов. Также используется разложение в ряд Фурье. В данном случае будем использовать последний.
Частота дискретизации для кривой (рис. 3) составляет 2000 Гц. Это значит, что на один период кривой приходится 20 точек. При таком количестве точек РЕКОН выдает значения 9 гармоник. То есть на одну гармонику – 2 точки, что недостаточно для точной оценки несинусоидальности. В нашем случае на одну гармонику будет приходится пять точек. Значит, на один период необходимо знать не менее 200 точек. Для этого будем использовать интерполяцию заданной функции с помощью сплайна.

Напряжение представляется в виде суммы первой (основной гармоники) u1Ф(t) и суммы канонических гармоник un∑(t) c порядком n ≥ 2 [3]:

u(t) = u1Ф(t) + un∑(t).               (2)

Подставим (2) уравнения в (1). Получим уравнение помехи:

uν(t) = u1Ф(t) –uf(t) + un∑(t).

Предположим, что несинусоидальную компонента совпадает с суммой высших гармоник, т.е.uf(t) = u1Ф(t).Тогда уравнение помехи будет иметь вид:

uν(t) = u(t) – u1Ф(t).

На рис. 4 показаны графики исходной кривой, синусоидальной компоненты и помехи.

Графики исходной кривой, синусоидальной компоненты и помехи

Рисунок 4 – Графики исходной кривой, синусоидальной компоненты и помехи

(easy gif animator, колличество кадров - 5, задержка времени - 1 с.)

3. Оценка несиметрии токов и напряжений в сетях с ДСП

3.1 Нормирование несимметрии

Согласно [1] несимметрия напряжений характеризуется следующими показателями:
– коэффициентом несимметрии напряжений по обратной последовательности;
– коэффициентом несимметрии напряжений по нулевой последовательности.

Коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности К2Ui вычисляют в процентах как результат i–го наблюдения по формуле:


где U2(1)i  – действующее значение напряжения обратной последовательности основной частоты трехфазной системы напряжений в i-ом наблюдении, В, кВ;
U1(1)i – действующее значение напряжения прямой последовательности основной частоты в i-ом наблюдении, В, кВ.

Коэффициент несимметрии напряжения по нулевой последовательности K0Ui вычисляют в процентах как результат i-го наблюдения по формуле


3.2 Оценка несимметрии в электрических сетях с ДСП

ДСП являются мощными установками трехфазного тока, питание которых осуществляется от заводских распределительных сетей напряжением 6, 10 и 35 кВ. Согласно ПУЭ эти сети работают с изолированной нейтралью. При работе печей вследствие колебаний электрической нагрузки действующие значения токов и в любой момент времени образуют несимметричную нагрузку. Несимметрия усугубляется различием уставок регуляторов тока.
Несимметрия трехфазных токов характеризуется коэффициентом несимметрии, который определяется как отношение модуля составляющей обратной последовательности к модулю составляющей прямой последовательности [11]:

α = I2/I1

При анализе несимметричных режимов коэффициент несимметрии токов α целесообразно вычислять непосредственно через модули (действующие значения) токов фаз IA, IB и IC. Формула для определения коэффициента несимметрии через действующие значения токов имеет вид:


4. Эстафетный метод имитации реализации электроэнергетических процессов

Существующие методы имитации случайных процессов не всегда обеспечивают точное воспроизведение КФ. В этом случае по рассмотрению должны исключаться реализации, КФ которых не соответствуют заданной. Эстафетный метод, разработанный на кафедре электроснабжения промышленных предприятий и городов ДонНТУ к.т.н. Погребняк Н.Н., позволяет избежать повторных имитаций путем улучшения в КФ качества моделирования случайных процессов, полученных другими методами. Кроме того, эстафетный метод может быть применен и как самостоятельный: для моделирования реализаций случайных процессов с заданными законом распределения ординат и КФ.

Моделирование процессов можно осуществить, если известен закон распределения случайной величины. Как правило, для этого используется функция распределения (ФР) – универсальная характеристика,которая полно характеризует случайную величину.Сее помощью можно определить любые числовые характеристики случайной величины. Наиболее важными из них для практики являются среднее значениедисперсия. На рис. 5 представлены статистическая функция распределения (ФР) напряжения на зажимах ДСП в начале плавки, а также гипотетические ФР с равномерным и нормальным законами. Очевидно, что изменение напряжения на вводах ДСП хорошо описываются нормальным законом распределения. Характерной особенностью работы ДСП является нестационарность режима за время работы. Поэтому интерес представляет анализ изменения числовых характеристик в три характерных периода: начало, середина и конец плавки.

Однако для имитационного моделирования случайного процесса знания вида одной только ФР недостаточно, поскольку многие показатели качества напряжения (КН) зависят не только от величины ординат помехи, но и их последовательности во времени. Поэтому необходимо знать также вид корреляционной функции (КФ), которая характеризует тесноту линейных связей (корреляция) между ординатами процесса, разделенным интервалом времени τ. На рис. 6 показаны КФ напряжений трех фаз ДСП для начального периода плавки. Их анализ позволяет заключить, что КФ могут бытьаппроксимированы выражением
                                                       
где D – дисперсия процесса, a и b – параметры КФ, определяемые по формулам:
                                                         
            Здесь Тк – постоянная корреляции; t0 – время перехода КФ через 0.

Функция распределения

Рисунок 5 – ФР: действующих значений напряжения (1), равномерного (2) и нормального (3) законов распределения

Кореляционная функция

Рисунок 6 – КФ напряжений фаз в начале плавки

Имитацию процесса предлагается выполнять с использованием программы StaSim, разработанную магистром кафедры ЭСиС Ивко Е.Е. на основе алгоритма [12]. Этот алгоритм позволяет учесть как закон распределения процесса, так и его КФ.

Заключение

ДСП – это источники многих электромагнитных помех. Доведение показателей КЭ до нормируемых величин требует значительных капитальных вложений и эксплуатационных расходов. Поэтому необходима точная оценка влияния ДСП на систему электроснабжения.

Для оценки несинусоидальности и несимметрии исходными данными являются записи мгновенных значений фазных или линейных напряжений на зажимах ДСП. Построенные и проанализированные ФР и КФ напряжений для различных периодов плавки позволяют осуществить имитационное моделирование процесса изменения напряжения на необходимом отрезке времени.

Тестовая задача показала принципиальную возможность экстраполяции процесса методом имитационного моделирования на более длительные промежутки времени. Погрешность имитации не превысила 9,7 % при допустимом значении 10 %.

При написании данного реферата магистерская работа не завершена. Окончательный вариант работы можно получить у автора или научного руководителя после декабря 2013 года.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. ГОСТ 13109-97. Межгосударственный стандарт. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения [Электронный ресурс]. – Введ. с 01.01.1999.– Режим доступа: http://www.matic.ru/index.php?pages=123
  2. Аррилага Д. Гармоники в электрических системах / Аррилага Д., Д. Брэдли, П. Боджер. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 215 с.
  3. Жежеленко И.В. Показатели качества электроэнергии и их контроль на промышленных предприятиях//2-е изд., перераб. И доп.,– М.: Энергоатомиздат, 1986 – 186 с.
  4. Жежеленко И. В. Качество электроэнергии на промышленных предприятиях / Жежеленко И. В., Рабинович М. Л., Божко В. М.. Киев: Техника, 1981 – 160 с.
  5. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий / Жежеленко И.В.. – М.: Энергоатомиздат, 2000.
  6. Железко Ю.С. Компенсация реактивной мощности и повышение качества электроэнергии / Железко Ю.С.. М.: Энергоатомиздат, 1985.
  7. Окороков Н.В. Дуговые сталеплавильные печи – М.: Металлургия, 1971. – 344 с.
  8. Кузнецов В.Г. Электромагнитная совместимость. Несимметрия и несинусоидальность напряжения / Кузнецов В.Г., Куренный Э.Г., Лютый А.П. – Донецк: Норд-пресс, 2005. – 250 с.
  9. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники / Бессонов Л.А. – М.: Высшая школа, 1964.
  10. Куренный Э.Г. Оценка несинусоидальности напряжения при анализе качества электроэнергии / Куренный Э.Г., Лютый А.П.// Электричество, 2005, № 8.
  11. Минеев Р.В. Повышение эффективности электроснабжения электропечей Текст. / Минеев Р.В., Михеев А.П., Рыжнев Ю.Л. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 207 с.
  12. Куренный Э.Г. «Эстафетный» метод имитации случайных электроэнергетических процессов / Куренный Э.Г., Погребняк Н.Н.// Техническая электродинамика. – 1990. – №3. – с. 3-6.
  13. Цуканов В.В. Экспериментальное определение гармонического состава тока и напряжения дуговых электропечей / Цуканов В.В., Галактионов Г.С., Минеев Р.В. и др. // Промышленная энергетика. -  1975. -  №11. - с. 17-20.
  14. Марков Н.А. Электрические цепи и режимы дуговых электропечных установок // М.: Энергия, 1975. - 204 с.
  15. Алексеев С.В. Влияние дуговых сталеплавильных печей на нагрузку и качество напряжения промышленных электрических сетей / Алексеев С.В., Трейвас В.Г. //В кн. Регулирование напряжения в электрических сетях. М.: Энергия, 1968. - с. 194-204.
  16. Пономарев И.Б., Юшкова Е.И. Оценка несинусоидальности при наличии колебаний напряжения.