Разработка методики расчёта общего случая несимметрии в системах электроснабжения и обеспечение надёжной работы электроустановок при нарушениях качества электрической энергии

Обеспечение качества электрической энергии в электроустановках до 1кВ торговых, офисных, медицинских центров и промышленных предприятий, жилых и^ общественных зданий стало насущной задачей ввиду широкого применения новой техники на базе современной электроники. Задачи повышения качества и эффективного использования электрической энергии в>электроустановках до 1кВ могут быть успешно решены только при комплексном подходе к этой проблеме.

Одной из причин несоответствия качества электрической энергии (КЭЭ) у потребителей является не достаточный уровень управления качеством электроэнергии, что приводит к несинусоидальности напряжения, а также увеличению доли несимметричной нагрузки до 85−90% от суммарной нагрузки городских объектов [77]. Исследования режимов работы сельских электрических сетей 0,38кВ с коммунально-бытовыми и смешанными нагрузками, проведённые вузами и научно-исследовательскими институтами выявили, что в таких сетях возникает значительная несимметрия токов, которая вызывает несимметрию напряжений на зажимах трехфазных электроприемников, а коэффициент нулевой последовательности напряжений во многих случаях превышает в 2.2,5 раза допустимое ГОСТ 13 109–97 значение [91]. Все это ведет к снижению эффективности электрооборудования, используемого в электрических сетях и электроустановках и рассчитанного для работы в симметричном режиме. Известно, что при коэффициентах несимметрии токов обратной и нулевой последовательности в сети, равных 25.30%, потери мощности и электрической энергии в линиях 0,38кВ и трансформаторах потребительских ТП увеличиваются на 30."50% по сравнению с симметричным режимом работы [91].

Современное развитие электроэнергетики характеризуется широким внедрением энергоемких нетрадиционных потребителей электроэнергии, отличающихся нелинейными и пофазно различными параметрами, а также высокой скоростью изменения их во времени [75,76]. Увеличение доли нелинейных нагрузок, г рост несимметрии в системах электроснабжения до 1кВ (по проектам закладывается 10%) существенно сказывается на экономических показателях и надежности работы электрических сетей и электроустановок торговых, офисных, медицинских центров и предприятий. В соответствии с указом Президента Российской Федерации от 4 июня 2008 года № 889 «О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики» требуется обеспечить снижение энергоёмкости валового внутреннего продукта Российской Федерации к 2020 г. на 40% по сравнению с 2007 г. В соответствии с этим указом в ближайшие десять лет предстоит снизить потери электроэнергии в электрических сетях России на 40% по сравнению с 2007 г., повысить эффективность передачи и распределения электроэнергии до уровня промышленно развитых стран.

В настоящее время несимметрия, несинусоидальность, перенапряжения и колебания напряжений в электрических сетях и системах общего и специального назначения стали постоянно действующими факторами, существенно снижающими эффективность работы, как самих систем электроснабжения (СЭС), так и потребителей, подключенных к ним.

Кратковременные несимметричные режимы имеют место при различного рода аварийных ситуациях и протекают в относительно короткие промежутки времени. Длительные нормальные режимы характерны для ряда несимметричных устройств: преобразователей фаз, симметрирующих элементов, несимметричных электродвигателей и т. д. Повышение несимметрии нагрузок приводит к заметным нарушениям симметрии токов и напряжений в трехфазных электрических сетях, особенно распределительных. Различают продольную и поперечную несимметрию. Продольная несимметрия возникает вследствие различия индуктивных сопротивлений отдельных фаз реакторов, которое допускается в пределах 10% [80].

Несимметрия напряжений и токов трехфазной системы является одним из важных показателей КЭЭ, характеризующих режим электропотребления. Работа СЭС промышленных предприятий в условиях несимметрии и несинусоидальности токов и напряжении вызывает экономический ущерб, составной частью которого является увеличение потерь активной мощности и потребление активной и реактивной мощностей. Методы расчета дополнительных потерь активной мощности и электроэнергии, обусловленных несимметрией, несинусоидальностью и отклонениями напряжений [5−9,11−14,16,17,25,28,29,38,55,59,62,68,86,87,90,97, 104,16,110,119], представляют особый интерес, так как дополнительные потери активной мощности должны входить в общий баланс предприятия независимо от причин их возникновения.

Применение в электроустановках напряжением до 1кВ однофазных и нелинейных нагрузок обострило в последние годы проблему высших гармоник нагрузочных токов в распределительных сетях [6,9,14,54,72,121−126].

Немаловажным фактором в реализации мероприятий по улучшению качества электроэнергии является организация молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций [93] и установка систем защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) в сетях до 1кВ, возникающих как в результате разрядов молнии при грозовых атмосферных явлениях, так и коммутаций (плановых или аварийных отключений и включений). До сих пор опыт применения УЗИП до 1 кВ и оценка влияния их работы на показатели качества электроэнергии не была в достаточной степени изучена [23,36,131].

В настоящее время сети электроснабжения (электропитания) постоянно подвергаются воздействию дестабилизирующих факторов и поэтому не обеспечивают должного качества электроэнергии. Из-за импульсных кратковременных (длительностью несколько микросекунд) и длительных (более 20 мс) возмущений напряжения в СЭС до 1кВ часто происходят сбои и отказы компьютеров и систем микропроцессорного управления. Так, по данным Bell Laboratory [89], типовыми нарушениями качества электрической энергии за рубежом являются: а) пониженное напряжение — в 87% случаяхб) повышенное напряжение — составляют 0,7%- в) импульсные перенапряжения — 7,4%- г) несанкционированные отключения электропитания 4,7%.

Меры борьбы с кратковременными импульсными помехами изложены в [4,30,39−41,73,86−89,96,101,114,129,130].

Большой вклад в решение вопросов несимметричных и несинусоидальных режимов работы электроустановок и повышения эффективности их работы внесли ученые: Базелян Э. М., Вагин Г. Я., Вагнер К. Ф., Гитгарц Д. А., Гамазин С. И., Р. Дрехслер, Иванов B.C., Жежеленко И. В., Кузнецов В. Г., Мельников Н. А., Милях А. Н., Мнухин JI. A, Шваб А. И., Шидловский А. К., Dugan R.C., Meppeling Jyair и др.

Методы построения эффективных алгоритмов применительно к расчету нормальных и аварийных режимов работы систем электроснабжения с однофазными, нелинейными потребителями и их практическая реализация не получили должного развития [4−13,19,21,22,28−30,36,37, 58,68,98−100]. Существующие алгоритмы расчета режимов СЭС, потоков мощностей и потерь ЭЭ [4−13,19,21,22,2830,36,37, 58,68,98−100] не в полной мере учитывают изменения нагрузок по фазам, не позволяют учесть при расчете режимов изменения параметров потребителей в функции нарушений показателей КЭЭ.

Известно, что из-за кратковременных возмущений напряжения в СЭС до 1кВ часто происходят сбои и отказы компьютеров, систем микропроцессорного управления. Аварийные процессы, происходящие в электроустановках при перенапряжениях существенным образом сказываются на работе АСУТП, электробезопасности [5,9,10,15,47,48,51,53,56,57,60,71,78,83,100,111,112].

Проектирование, эксплуатация электроустановок до 1кВ торговых, офисных предприятий, учреждений здравоохранения, вычислительных центров, жилых и общественных зданий требуют решения задач оптимального размещения однофазных нагрузок, защиты электроустановок от перенапряжений, снижения потерь от нарушений КЭЭ.

Поэтому возникла необходимость:

— разработки методики расчета общего случая несимметричных нормальных и аварийных режимов систем электроснабжения;

— разработки программы оценки экономического ущерба, обусловленного несимметрией, несинусоидальностью и отклонениями напряжений;

— разработки физической модели (стенда) для исследования устройств за/ щиты от импульсов перенапряжения (УЗИП), мест их подключения и необходимости применения;

— разработки программы проектирования и выбора устройств защиты от перенапряжений электроустановок до 1кВ.

Несмотря на значительное число работ по теме диссертации [5,6,9−14,28−32, 37−38,47−51,54,59,61−66,87, 95−101], методы построения эффективных алгоритмов применительно к расчету несимметричных режимов работы СЭС и их практическая реализация не получили должного развития.

Схемы электроустановок зданий и сооружений, предприятий, офисных, медицинских и вычислительных цент ров характеризуются разветвленной структурой промышленной сети, большой долей и мощностью нелинейной и однофазной нагрузок.

Для решения этих задач наиболее эффективным и удобным является метод математического и физического моделирования, который дает возможность с высокой точностью исследовать широкий круг задач.

Целью работы является разработка методики расчета несимметричных режимов в системах электроснабжения напряжением до 1кВ, программ оценки экономического ущерба электроустановок, обусловленного несимметрией, несинусоидальностью и отклонениями напряженийа так же проектирование и выбор устройств защиты от перенапряжений электроустановок до 1кВ. Для достижения поставленной цели в работе решались следующие теоретические и' прикладные задачи:

— разработка общего случая несимметричных (нормальных и аварийных) режимов, уравнений для расчетов токов обратной и нулевой последовательностей в сетях с несимметричной нагрузкой;

— разработка математической и физической модели для исследования перенапряжений в системах электроснабжения напряжением до 1кВ;

— разработка методика выбора параметров, УЗИП, мест их установки в электросети;

—. разработка надежной комплексной защиты электрооборудования зданий от перенапряжений для повышения эффективности работы потребителей при нарушениях КЭЭ;

— разработка программного комплекса оценки экономической целесообразности технических мероприятий, направленных на повышение эффективности работы электроустановок в условиях низкого качества электроэнергии.

Объектом исследования являются электроустановки до 1кВ торговых, офисных, медицинских, вычислительных центров и промышленных предприятий, жилых и общественных зданий и их функционирование в. условиях воздействия нарушений качества электроэнергии.

Научная новизна.

1. Получены уравнения и разработана методика расчета общего случая несимметричных режимов, что позволяет рассматривать конкретные виды несимметрии (короткие замыкания, обрывы и нормальные режимы) как частные случаи и существенно сокращает расчёт практических схем и режимов работы электроустановок.

2. Разработаны математическая и физическая модели для исследования перенапряжений в системах электроснабжения напряжением до 1кВ сети, учитывающие схему электроснабжения, параметры электрической сети, применяемые УЗИП и характер нагрузок.

3. Разработана комплексная защита электрооборудования торговых, офисных, медицинских центров, нефтеналивных терминалов с учетом структуры и конфигурации СЭС, режимов работы электрооборудования, выбраны параметры УЗИП для обеспечения, защиты электроустановок при возникновении импульсов перенапряжения в результате грозовых явлений, и других факторов.

4. Созданы методика и программный комплекс расчета дополнительных потерь электроэнергии на основе обобщенной информации об относительном составе нагрузок, количестве и характере потребителей, данных о сроке службы, стоимости оборудования и других параметрах.

Практическая ценность работы состоит в возможности использования полученных результатов для оценки экономического ущерба, обусловленного несимметрией, несинусоидальностью и отклонениями напряжений, что может служить основой для выработки рекомендаций по повышению качества электроэнергии в системах электроснабжения организаций, учреждений, жилых и общественных зданий. Проведены экспериментальные исследования режимов работы электроустановок до 1кВ, которые подтвердили достоверность предлагаемых алгоритмов.

Реализация результатов работы.

Основные результаты работы использованы на действующем объекте электроустановок архитектурно-художественной подсветки зданий г. Новочебоксарск для обеспечения надежной работы при условиях включения и отключения уличного освещения, для выбора мероприятий для снижения убытков от нарушений КЭЭ Усинскнефтегаз, ОАО «Контур"(г. Чебоксары) — для разработки и выбора технических мероприятий по повышению эффективности работы электрооборудования при реорганизации схемы электроснабжения «Перинатальный медицинский центр на Севастопольском пр-те 24А» г. Москва и при реконструкции «Мурманской базы ООО «Газфлот».

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методика расчета дополнительных потерь электроэнергии в электроустановках до 1кВ при явлениях несимметрии, несинусоидальности и отклонениях напряжения, использующая встроенную базу данных по основному электрооборудованию.

2. Алгоритм и программа рационального размещения однофазных приемников электрической энергии по фазам и подключенных на междуфазное напряжение, позволяющие на этапе проектирования и модернизации СЭС снизить уровень несимметрии.

3. Методика и уравнения расчета общего случая несимметричных режимов в электроустановках, что позволяет рассматривать конкретные виды несимметрии как частные случаи и существенно сокращает расчёт практических схем и режимов работы потребителей.

4. Результаты экспериментальных исследований режимов работы электроустановок до 1кВ с включенной/отключенной нелинейной и однофазной нагрузкой, которые подтвердили правильность отражения физических процессов с помощью разработанной математической модели и программы расчета несимметричных режимов.

Апробация работы.

Основные положения работы докладывались на: IV Всероссийском семинаре «Энергосбережение, сертификация и лицензирование-98» (г. Чебоксары, 1999 г.), V Всероссийском семинаре «Энергосбережение, сертификация и лицензирование в энергетике» (г. Чебоксары, 1999 г.), Российском национальном симпозиуме по энергетике (г. Казань, 10−14 сентября 2001 г.), на 1 Российской конференции по молниезащите (г. Новосибирск, 2007 год), и II Российской конференции по мол-ниезащите (г. Москва, 2010 год), на научных семинарах кафедры Электроснабжения промышленных предприятий Московского энергетического института.

Публикации. Содержание работы нашло отражение в 12 опубликованных работах автора, из которых 9 наиболее значимые.

Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, 4 главы, заключение, список литературы из 131 наименования и 3 приложения. Общий объем составляет 165 страниц текста компьютерной верстки.

4.6. Выводы по главе 4.

1. Для торгового центра «Золотой Вавилон» г. Москве была спроектирована электроустановка торгового центра, проведены замеры показателей ПКЭ и используя программный комплекс ЫЕ81М предложены мероприятия по улучшению ПКЭ, получен экономический эффект в размере 2,19 млн руб.

2. Разработана и внедрена комплексная система У ЗИП нефтеналивного терминала, в которой предложены мероприятия по защите электрооборудования от импульсов перенапряжения, улучшению качества ЭЭ. Погрешность расчетных и экспериментальных исследований коэффициентов несимметрии по обратной и нулевой последовательности составила 13,3 и 3,7% соответственно.

3. Погрешность расчетных и экспериментальных исследований коэффициентов несимметрии по обратной и нулевой последовательности для СЭС Перинатального центра составила 16,5 и 7,4% соответственно.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации были рассмотрены проблемы, возникающие в характерных режимах работы нагрузки' торговых, офисных, медицинских центров и малых предприятий. Проведенные в работе теоретические и экспериментальные исследования позволяют сделать следующие основные выводы:

1. Получены уравнения и разработана методика расчета общего случая несимметричных режимов в системах электроснабжения, что позволяет рассматривать конкретные виды несимметрии как частные случаи и существенно сокращает расчёт практических схем и режимов работы электроустановок.

2. Разработаны математическая и физическая модели для исследования перенапряжений в электроустановках, напряжением до 1кВ сети, учитывающие схему электроснабжения, параметры электрической сети, применяемые УЗИП и характер нагрузок.

3. Определены области надежной работы защиты торговых, офисных, медицинских центров с учетом структуры и конфигурации СЭС, режимов работы электрооборудования, выбраны параметры УЗИП для обеспечения защиты потребителей при возникновении импульсов перенапряжения в результате грозовых явлений и других факторов.

4. Предложена методика расчета дополнительных потерь электроэнергии на основе обобщенной информации об относительном составе нагрузок, количестве и характере потребителей, данных о сроке службы, стоимости оборудования и других параметрах.

5. По результатам энергетических обследований Лукойл-Усинск-нефтегаз выявлено, что несимметрия напряжений не превышает предельно допустимых по ГОСТ 13 109–97 значений. В тоже время, выполнив технические мероприятия по снижению уровня несимметрии, можно увеличить срок службы электрооборудования, повысить эффективность работы компенсирующих устройств. Общий экономический ущерб от несинусоидальности и несимметрии напряжения на ТП1-Т2 Лукойл-Усинскнефтегаз без учета составляющей от отклонения напряжения составляет 5,39 млн руб./год. Экономия электроэнергии для потребителей трансформаторов ТП2 и ТПЗ составит 16,6 МВт-час и 32 МВт-час соответственно.

6. Проведены расчетно-экспериментальные исследования электроустановки архитектурно-художественной подсветки г. Новочебоксарск и предложены решения по исключению выхода из строя ламп, повышению качества электрической энергии в узлах подключения нагрузки и уменьшению ущерба Новочебоксарских городских электрических сетей.

7. Разработана и внедрена комплексная система У ЗИП нефтеналивного терминала, в которой предложены мероприятия по защите электрооборудования от импульсов перенапряжения, улучшению качества ЭЭ. Погрешность расчетных и экспериментальных исследований коэффициентов несимметрии по обратной и нулевой последовательности составила 13,3 и 3,7% соответственно.

8. Погрешность расчетных и экспериментальных исследований коэффициентов несимметрии по обратной и нулевой последовательности для СЭС Перинатального центра в г. Москве составила 16,5 и 7,4% соответственно.