Повышение надежности и качества электроснабжения электротехнических комплексов при грозовых воздействиях и резкопеременных нагрузках

Развитие промышленности Российской Федерации идет опережающими темпами по сравнению с объемами производства и выплавки стали. В связи с этим в настоящий момент во многих регионах страны происходит наращивание темпов производства выплавки и обработки стали на существующих металлургических предприятиях и строительство новых. Одним из таких регионов является Республика Татарстан, где активно развивается промышленное производство, в том числе металлургическое.

Особенностью электроснабжения современного металлургического комплекса с дуговыми печами заключается в том, что предприятие имеет резкопеременный характер нагрузки, при котором за несколько минут подключается нагрузка, создающая режим, близкий к режиму короткого замыкания, а затем через некоторое время так же быстро отключается. Такие резкие колебания нагрузки, которая к тому же имеет большую индуктивную составляющую, негативно сказываются на качестве электроэнергии не только у потребителей, подключённых к шинам подстанции металлургического комбината, но и захватывают целый промышленный район, включающий центральную системообразующую подстанцию и связанные с ней распределительные подстанции более низких классов напряжения. Изменения нагрузки металлургического комплекса вызывает такие глубокие провалы напряжения и мерцания освещённости, которые не удовлетворяют требованиям ГОСТ по качеству электроэнергии, делая подключение невозможным без ряда специальных устройств, сглаживающих колебания питающего напряжения.

Себестоимость продукции и сроки окупаемости металлургического комплекса тесно связаны с надёжностью его электроснабжения. Удары молний в линии электропередачи (ЛЭП) вызывают отключения ЛЭП и перерывы электроснабжения. Чтобы повысить надежность работы электроприемников при нормальном и послеаварийном режимах необходимо:

— свести к минимуму число и продолжительность перерывов их электроснабжения, связанных, в частности, с ударами молний в ЛЭП;

— обеспечить нормы ГОСТ по качеству электроэнергии для создания устойчивой работы ответственных технологических аппаратов при нарушениях режима электроснабжения.

Одним из способов повышения такой внешней составляющей надежности является снижение ущерба от грозовых отключений ЛЭП, т. е. повышение грозоупорности линий электропередач. Основным показателем, характеризующим грозоупорность ВЛ, является число ее грозовых отключений, отнесенное к 100 км. длины линии и 100 грозовым часам.

Исследования в области совершенствования зон защиты ЛЭП от грозовых отключений ведутся и, в том числе, в нашей стране [2], постоянно совершенствуются методики молниезащиты ЛЭП, создаются новые более надёжные защитные аппараты и ограничители. На основании статистических, расчётных и экспериментальных данных даются рекомендации по повышению уровня защищённости энергообъектов от грозовых перенапряжений. Например, в последней редакции Правил устройства электроустановок (ПУЭ) [3] рекомендовано на защищённых подходах воздушных линий электропередач в опасной зоне подстанций уменьшать угол тросовой защиты до 23°. Уменьшение этого угла приводит к снижению вероятности поражения молнией фазных проводов и повышает показатели грозозащиты подстанций.

На ряду с молниезащитой, важную роль играет также потребление реактивной мощности крупными электрометаллургическими комплексами, которые резко снижают надежность энергосистемы вследствие нерациональной загрузки электросетевого оборудования (ВЛ, КЛ, трансформаторов), что приводит к образованию «узких мест» в энергосистеме и может привести к каскадному развитию системной аварии. Данная проблема может быть решена с помощью использования современных статических тиристорных компенсаторов реактивной мощности.

Исходя из вышесказанного, проблема повышения надёжности и качества электроснабжения предприятий промышленного района с электрометаллургическим комплексом имеет, по крайней мере, две составляющие: внутреннюю — поддержание требуемого по ГОСТ качества электроэнергии и внешнюю — надежную работу питающих ЛЭП.

Таким образом, задача по повышению надёжности электроснабжения и качества электроэнергии в промышленном районе с металлургическим комплексом является актуальной.

Учитывая отмеченную актуальность, целью диссертационного исследования является разработка рекомендаций по повышению надежности электроснабжения и качества электроэнергии в промышленном районе с электрометаллургическим комплексом.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— разработать рекомендации по повышению грозоупорности питающих воздушных линий электропередач (ВЛЭП) предприятий промышленного района за счёт использования на них оптимальных значений углов тросовой защиты;

— модернизировать методику расчёта удельной грозоупорности ЛЭП;

— разработать методику определения оптимального угла тросовой защиты для достижения минимального числа грозовых отключений ЛЭПусовершенствовать общую методику выбора компенсаторов реактивной мощности с одновременным снижением доли фликера до допустимого по ГОСТ значения и выбором места установки.

Положения, выносимые на защиту:

— при расчёте потока отказов ВЛЭП из-за ударов молний необходимо учитывать не только путь замыкания провода высокого напряжения на землю (обратного перекрытия) с траверсы на провод, но и непосредственно с опоры на проводповысить надёжность электроснабжения электротехнических комплексов по ВЛЭП за счёт снижения числа перерывов электроснабжения, вызванных грозовой активностью атмосферы, можно такими двумя способами: изменять точку подвеса гирлянды изоляторов на более близкую к опоре и/или изменять высоту подвеса грозозащитного троса. Значения параметров (расстояния опора — провод и трос-провод), при которых достигается минимальное число грозовых перерывов электроснабжения, отличаются для опор различного типа и класса напряжения ВЛЭПметодика выбора параметров статических тиристорных компенсаторов реактивной мощности крупных потребителей с резкопеременным характером нагрузки должна учитывать требования ГОСТ к качеству электроэнергии (дозы фликера) и расчёты мощности короткого замыкания в узлах возможных присоединений компенсаторов.

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что в работе:

— усовершенствована методика расчета грозоупорности ЛЭП за счёт учёта устойчивой силовой дуги между опорой и проводом высокого напряжения и изменения общего числа ударов молний в ВЛЭП при изменении угла тросовой защиты;

— установлены оптимальные величины углов тросовой защиты, при которых число отключений линий вследствие ударов молний в ВЛЭП минимально;

— усовершенствована общая методика выбора статических тиристорных компенсаторов реактивной мощности для электрометаллургического комплекса с резкопеременным характером нагрузки.

Практическая значимость полученных результатов заключается в том, что использование усовершенствованной методики расчёта грозоупорности ВЛЭП позволяет подбором оптимального угла тросовой защиты повысить надежность электроснабжения за счёт снижения числа аварийных отключений и сокращения времени вынужденного ремонта ВЛЭП. Использование модернизированной методики выбора статических компенсаторов реактивной мощности позволяет подобрать значения мощности компенсаторов, необходимые для выполнения требований ГОСТ к качеству электроэнергии, что приведет к снижению негативного воздействия на электроснабжение в промышленном районе и повысит надежность работы электротехнических комплексов. Данная методика может быть применена для различного рода электрометаллургических, нефтеперерабатывающих, машиностроительных и других заводов.

Достоверность результатов, выводов и рекомендаций определяется:

1) корректным применением методики молниезащиты, основанной на обобщении результатов экспериментальных данных поражаемости ударами молний ВЛЭП и статистики успешного восстановления работоспособности ВЛЭП средствами автоматического повторного включения (АПВ) линий различного класса напряжений;

2) опытом применения различных устройств компенсации реактивной мощности;

3) применением современных лицензированных программных комплексов расчёта параметров электроснабжения (таких как провалы напряжения, кратковременная доза фликера, мощность короткого замыкания и др.) в различных узлах промышленных районов.

Личный вклад автора диссертации. Основные результаты работы получены лично соискателем. Автор принимал непосредственное участие в разработке и составлении программ, проведении расчётов, обсуждение и анализе результатов, написании статей и выступлении на конференциях.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на шестнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, 2010 г.- на IV открытой молодежной научно-практической конференции «Диспетчеризация в электроэнергетике: проблемы и перспективы», Казань, 2010 г.- на V открытой молодежной научно-практической конференции «Диспетчеризация в электроэнергетике: проблемы и перспективы», Казань, 2011 г.- Международная молодёжная научно-техническая конференция «Энергосистема и активные адаптивные электрические сети: проектирование, эксплуатация, образование», г. Самара, 2011 г.

Публикации по теме диссертации. По данному направлению исследования опубликовано 6 печатных работ, из них 2 статьи в журналах перечня ВАК.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы.

4.4. Выводы.

Ввиду отсутствия общепринятой методики расчёта СТК и несовершенством существующей методики, расчёт, приведенный выше, можно взять за основу дальнейших расчётов по выбору мощности статических тиристорных компенсаторов реактивной мощности. Для проведения расчётов по определению требуемой мощности СТК необходимо иметь следующие исходные данные:

— схема внешнего электроснабжения потребителя;

— максимальная и минимальная мощность КЗ в точке подключения к шинам общего назначения;

— параметры печного трансформатора;

— кратность тока ЭКЗ ДСП;

— среднее значение активной мощности ДСП;

— среднее значение реактивной мощности ДСП;

— максимальное значение реактивной мощности ДСП.

При расчёте необходимо определить:

— эксплуатационную мощность потребляемую ДСП в режиме короткого замыкания;

— мощность короткого замыкания в точке подключения к сетям общего назначения;

— показатель интенсивности фликера, на основании эксплуатационной мощности потребляемую ДСП в режиме короткого замыкания и мощности короткого замыкания;

— кратковременную дозу фликера с учётом показателя интенсивности фликера;

— отношение между полученным значением дозы фликера и допустимой величиной дозы фликера (полученное отношение не должно превышать двух);

— мощность СТК.

При необходимости произвести расчёт для других возможных точек установки СТК.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В настоящей работе проведены исследования способов повышения надёжности и качества электроснабжения электротехнических комплексов при грозовых воздействиях и резкопеременных нагрузках.

В итоге расчётов и разработок по повышению надежности и качества электроснабжения электротехнических комплексов при грозовых воздействиях и резкопеременных нагрузках получены следующие результаты:

— усовершенствована методика расчёта вероятности прорыва молнии через тросовую защиту в зависимости от угла тросовой защиты. На основании этой методики предложен способ реализации оптимальных значений углов тросовой защиты, основанной на изменения высоты тросостойки и сдвига гирлянды изоляторов по траверсе;

— на основании расчётов оптимальных углов тросовых защит, выполненных для более 30 различных типовых опор, установлено, что величины оптимальных углов тросовой защиты ВЛЭП, при которых достигается минимальная величина числа грозовых отключений, носят индивидуальный характер для каждого типа опор. Экономический эффект только от снижения времени простоя ВЛЭП оценивается величинами от сотен тысяч рублей до нескольких миллионов рублей в годразработана методика выбора статических тиристорных компенсаторов мощных потребителей с резкопеременной нагрузкой в электротехнических комплексах и системах с недостаточным уровнем мощности короткого замыкания. Методика отличается от существующих тем, что в ней происходит одновременный учёт не только компенсации реактивной мощности, но и снижения доли фликера с анализом возможных мест подключения компенсатора.